NO20121234A1 - Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein - Google Patents

Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein Download PDF

Info

Publication number
NO20121234A1
NO20121234A1 NO20121234A NO20121234A NO20121234A1 NO 20121234 A1 NO20121234 A1 NO 20121234A1 NO 20121234 A NO20121234 A NO 20121234A NO 20121234 A NO20121234 A NO 20121234A NO 20121234 A1 NO20121234 A1 NO 20121234A1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
combustion
catalyst
reaction chamber
endothermic
exothermic
Prior art date
Application number
NO20121234A
Other languages
Norwegian (no)
Inventor
Gary L Roberts
Anna Lee Y Tonkovich
Steven T Perry
Sean P Fitzgerald
Original Assignee
Battelle Memorial Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battelle Memorial Institute filed Critical Battelle Memorial Institute
Priority to NO20121234A priority Critical patent/NO20121234A1/en
Publication of NO20121234A1 publication Critical patent/NO20121234A1/en

Links

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Integrerte forbrenningsreaktorer (ICR'er) og fremgangsmåter til fremstilling av integrerte forbrenningsreaktorer beskrives, hvor forbrenningskamre (eller kanaler) (12) er i direkte varmekontakt med reaksjonskamre for en endoterm reaksjon (115). Meget gode resultater ble oppnådd for forbrenningskamre som omfattet en spalte (18,19) for fri strømning gjennom kammeret. Spesielle reaktorutforminger beskrives også. Fremgangsmåter til utførelse av reaksjoner i integrerte forbrenningsreaktorer beskrives og resultater presenteres. Noen av disse fremgangsmåter kjennetegnes ved uventede og meget gode resultater.Integrated combustion reactors (ICRs) and methods of producing integrated combustion reactors are described, where combustion chambers (or channels) (12) are in direct heat contact with reaction chambers for an endothermic reaction (115). Very good results were obtained for combustion chambers which included a slot (18,19) for free flow through the chamber. Special reactor designs are also described. Methods for conducting reactions in integrated combustion reactors are described and results presented. Some of these methods are characterized by unexpected and very good results.

Description

OppfinneIsesområde Invent Ice area

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en integrert reaktor for utførelse av eksoterme og endoterme reaksjoner, fremgangsmåter til fremstilling av integrerte reaktorer, samt fremgangsmåter for utførelse av reaksjoner i integrerte reaktorer. The present invention relates to an integrated reactor for carrying out exothermic and endothermic reactions, methods for producing integrated reactors, and methods for carrying out reactions in integrated reactors.

Beslektede patentsøknader Related patent applications

Denne søknad er en CIP-søknad av Amerikanske patentsøknader 09/375.614 og 09/640.903, som inkorporeres her som om reprodusert i sin helhet nedenfor. Ifølge 35 U.S.C., paragraf 119 (e) kreves det i denne søknad prioritet fra foreløpig Amerikansk patentsøknad 60/269.628 av 16. februar 2001. This application is a CIP application of US Patent Applications 09/375,614 and 09/640,903, which are incorporated herein as if reproduced in their entirety below. Pursuant to 35 U.S.C., Section 119 (e), this application claims priority from US Provisional Patent Application 60/269,628 of February 16, 2001.

Innledning Introduction

For tiden drives endoterme reaksjoner som utføres i mikro-reaktorer ved utnyttelse av varme fra en ekstern kilde, så som avløpet fra et eksternt forbrenningskammer. Når det gjøres slik begrenses temperaturen i gasstrømmen som sørger for varmen av krav påtvunget av konstruksjonsmaterialene. For eksempel vil en typisk mikroreaktor konstruert av Inconel 625 kunne være begrenset i anvendelse for gass til temperaturer på ca. 1050°C eller lavere. I praksis betyr dette at avløpet fra et eksternt forbrenningskammer må tynnes med kjølegass (dvs. overskuddsluft) for å bringe gasstemperaturen ned for å tilfredsstille materialtemperaturkrav. Dette øker den totale gasstrømmengde, noe som øker vifte/kompressorkostnader. Dessuten forårsaker oppvarming av gasstrømmen eksternt varmetap (forbundet med levering av den varme gass til mikroreaktoren) og kostbare høytemperaturmaterialer for å forbinde forbrenningskammeret med mikroreaktoren. Currently, endothermic reactions carried out in micro-reactors are powered by utilizing heat from an external source, such as the effluent from an external combustion chamber. When this is done, the temperature in the gas flow that provides the heat is limited by requirements imposed by the construction materials. For example, a typical microreactor constructed of Inconel 625 could be limited in application for gas to temperatures of approx. 1050°C or lower. In practice, this means that the discharge from an external combustion chamber must be thinned with cooling gas (ie excess air) to bring the gas temperature down to meet material temperature requirements. This increases the total gas flow rate, which increases fan/compressor costs. Also, heating the gas stream causes external heat loss (associated with delivering the hot gas to the microreactor) and expensive high temperature materials to connect the combustion chamber to the microreactor.

På den annen side kan et integrert forbrenningskammer produsere varme for reaksjonen i umiddelbar nærhet av reaksjonssonen og derved minske varmetap og øke effektivitet. På grunn av at tradisjonelle forbrenningskatalysatorer ikke er stabile ved høye temperaturer (over ca. 1200°C) på grunn av edelmetallsintring, må det integrerte forbrenningskammer fjerne varme med en hastighet som er tilstrek-kelig til å holde lokale temperaturer på katalysatorover-flaten under dette nivå eller risikere hurtig katalysator-deaktivering. On the other hand, an integrated combustion chamber can produce heat for the reaction in the immediate vicinity of the reaction zone, thereby reducing heat loss and increasing efficiency. Because traditional combustion catalysts are not stable at high temperatures (above about 1200°C) due to precious metal sintering, the integrated combustion chamber must remove heat at a rate sufficient to maintain local catalyst surface temperatures below this level or risk rapid catalyst deactivation.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

I en integrert reaktor bør forbrenning/varmegenerering foregå i umiddelbar nærhet av den endoterme reaksjon. Fortrinnsvis foregår en eksoterm reaksjon i mikrokanaler som er interfoliert med mikrokanaler hvori der er en endoterm reaksjon. Felles strøm av endoterme og eksoterme reaksjonsstrømmer foretrekkes, men krysningsstrøm eller motstrøm er også en mulighet. Varmen fra en eksoterm reaksjon ledes fra den eksoterme reaksjonskatalysator til den endoterme reaksjonskatalysator, hvor den driver den endoterme reaksjonen. Denne hurtige varmefjerning fra forbrenningsregionen gir mulighet til å anvende en meget liten fraksjon av overskuddsluft (for eksempel nær støkiometrisk forbrenning, noe som vil frembringe temperaturer på over 1400°C ved adiabatisk reaksjon). Anvendelsen av en forbistrømningskatalysatorutforming for den ene av eller begge de eksoterme og endoterme mikro kanaler kan frembringe et fordelaktig kapasistets/trykkfall-forhold. I en forbistrømningskatalysatorutforming strømmer gass i en 0,05-2mm spalte opptil et tynt lag av konstruert katalysator som er i berøring med mikrokanal-veggen. Katalysatoren kan enten være innført i og opptil reaktorveggen eller i ett med reaktorveggen. I tilfellet i ett med reaktorveggen er en foretrukket metode vaskebelegging av en katalysator på en vegg eller vegger i mikro-kanalen. Katalysatoren kan omfatte anvendelsen av ytterligere lag for økning av overflatearealet, så som et porøst keramisk materiale med høyt overflateareal, eller lag for å fremme vedheft av et keramisk materiale til metall, så som amorft titanoksid som avsettes enten ved kjemisk dampavsetning (CVD) eller fra løsning. Anvendelsen av kanaler som har en minimumsdimensjon på mer enn 2mm kan være mindre effektive, idet varme- og massetransportbegrensninger kan bli forstørret. Et integrert forbrenningskammer kan utnytte mikroreaktorkanalers store overflateareal for fjerning av varme når den dannes og derved holde mikroreaktor-komponentene unna fra å overskride materialtemperaturkrav ved forbrenning med mye mindre overskuddsluft (eller tynner) enn det som ville være nødvendig for et eksternt forbrenningskammer. In an integrated reactor, combustion/heat generation should take place in the immediate vicinity of the endothermic reaction. Preferably, an exothermic reaction takes place in microchannels which are interleaved with microchannels in which there is an endothermic reaction. Joint flow of endothermic and exothermic reaction streams is preferred, but crossflow or counterflow is also a possibility. The heat from an exothermic reaction is conducted from the exothermic reaction catalyst to the endothermic reaction catalyst, where it drives the endothermic reaction. This rapid heat removal from the combustion region makes it possible to use a very small fraction of excess air (for example near stoichiometric combustion, which would produce temperatures in excess of 1400°C in an adiabatic reaction). The use of a bypass catalyst design for one or both of the exothermic and endothermic microchannels can produce an advantageous capacity/pressure drop ratio. In a bypass catalyst design, gas flows in a 0.05-2mm gap up to a thin layer of engineered catalyst that is in contact with the microchannel wall. The catalyst can either be introduced into and up to the reactor wall or in one with the reactor wall. In the case of one with the reactor wall, a preferred method is wash coating of a catalyst on a wall or walls of the micro-channel. The catalyst may include the use of additional layers to increase surface area, such as a high surface area porous ceramic material, or layers to promote adhesion of a ceramic material to metal, such as amorphous titanium oxide deposited either by chemical vapor deposition (CVD) or from solution. The use of channels that have a minimum dimension of more than 2mm may be less efficient, as heat and mass transport limitations may be magnified. An integrated combustor can utilize the large surface area of microreactor channels to remove heat as it is generated and thereby keep the microreactor components from exceeding material temperature requirements when combusting with much less excess air (or thinner) than would be required for an external combustor.

Ifølge et aspekt er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en integrert reaktor som omfatter: et første reaksjonskammer som har en bredde på 2mm eller mindre, idet det er en åpen kanal gjennom det første reaksjonskammer som har et innvendig volum som utgjøres av fra 5 til 95vol% porøs katalysator og fra 5 til 95vol% åpent rom. Den integrerte reaktor omfatter også et andre reaksjonskammer som har en bredde på 2mm eller mindre, idet det er en åpen kanal gjennom det andre reaksjonskammer som har et innvendig volum som utgjøres av en katalysator og minst 5vol% åpent rom, og en reaksjonskammervegg som skiller det første kammer og det andre kammer. Denne integrerte reaktor har varmeflukskarakteristika på minst 1 W/cm<3>målt ifølge varmefluksmålingstesten. According to one aspect, according to the invention, an integrated reactor has been produced which comprises: a first reaction chamber having a width of 2 mm or less, there being an open channel through the first reaction chamber having an internal volume which is made up of from 5 to 95% by volume of porous catalyst and from 5 to 95 vol% open space. The integrated reactor also comprises a second reaction chamber having a width of 2 mm or less, being an open channel through the second reaction chamber having an internal volume constituted by a catalyst and at least 5 vol% open space, and a reaction chamber wall separating the first chamber and the second chamber. This integrated reactor has heat flux characteristics of at least 1 W/cm<3>measured according to the heat flux measurement test.

Oppfinnelsen vedrører også fremgangsmåter for utførelse av eksoterme og endoterme reaksjoner i reaktoren. En eksoterm reaksjonssubstans er en kjemisk substans som under valgte betingelser vil reagere under generering av varme. Typisk vil en katalysator katalysere reaksjonen. The invention also relates to methods for carrying out exothermic and endothermic reactions in the reactor. An exothermic reaction substance is a chemical substance which, under selected conditions, will react with the generation of heat. Typically, a catalyst will catalyze the reaction.

I et annet aspekt er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en integrert reaktor som omfatter et første reaksjonskammer som har en bredde på 2mm eller mindre, idet det er en åpen kanal gjennom det første reaksjonskammer som har et innvendig volum som utgjørs av fra 5 til 95vol% porøs katalysator og fra 5 til 95vol% åpent rom, og et andre reaksjonskammer som har en bredde på 2mm eller mindre, idet det er en åpen kanal gjennom det andre reaksjonskammer som har et innvendig volum som utgjøres av en katalysator og minst 5vol% åpent rom. En reaksjonskammervegg skiller det første kammer og det andre kammer, og den integrerte reaktor har NOx-ytelseskarakteristika på mindre enn lOOppm målt ifølge standard NOx-målingstesten. In another aspect, according to the invention, an integrated reactor has been produced which comprises a first reaction chamber having a width of 2mm or less, there being an open channel through the first reaction chamber which has an internal volume made up of from 5 to 95 vol% porous catalyst and from 5 to 95 vol% open space, and a second reaction chamber having a width of 2mm or less, there being an open channel through the second reaction chamber having an internal volume constituted by a catalyst and at least 5 vol% open space. A reaction chamber wall separates the first chamber and the second chamber, and the integrated reactor has NOx performance characteristics of less than 100ppm as measured by the standard NOx measurement test.

Ifølge oppfinnelsen er det også frembrakt en fremgangsmåte til fremstilling av en integrert reaktor, hvor fremgangsmåten kjennetegnes ved at den omfatter: tilveiebringelse av en enkelt blokk av varmeledende materiale, utforming av minst én første mikrokanal i blokken, utforming av minst én andre mikrokanal i blokken, anbringelse av minst én katalysator som er i stand til å katalysere en eksoterm reaksjon i nevnte minst ene første mikrokanal, samt anbringelse av minst én katalysator som er i stand til å katalysere en endoterm reaksjon i nevnte minst ene andre mikrokanal, hvorved i en integrerte reaktor er den første mikrokanal og den andre mikrokanal atskilt med mindre enn 1 cm. According to the invention, a method for manufacturing an integrated reactor has also been developed, where the method is characterized by the fact that it comprises: provision of a single block of heat-conducting material, design of at least one first microchannel in the block, design of at least one second microchannel in the block, placement of at least one catalyst capable of catalyzing an exothermic reaction in said at least one first microchannel, as well as placement of at least one catalyst capable of catalyzing an endothermic reaction in said at least one second microchannel, whereby in an integrated reactor the first microchannel and the second microchannel are separated by less than 1 cm.

Dessuten er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en fremgangsmåte for utførelse av en endoterm reaksjon i en integrert forbrenningsreaktor, hvor fremgangsmåten kjennetegnes ved at en eksotermt reagerende substans ledes inn i minst ett eksotermt reaksjonskammer som er utstyrt med minst én eksoterm reaksjonskammervegg som er opptil minst ett eksotermt reaksjonskammer, idet reaksjonskammeret inneholder en eksoterm reaksjonskatalysator i kontakt med i det minste nevnte minst ene eksoterme reaksjonskammervegg som befinner seg opptil minst ett endotermt reaksjonskammer, idet den eksoterme reaksjonskatalysator har en blottlagt overflate inne i det eksoterme reaksjonskammer og den eksoterme reaksjonskatalysators blottlagte overflate og en andre overflate inne i det eksoterme reaksjonskammer avgrenser en åpen kanal inne i det eksoterme reaksjonskammer, idet spalten har en tykkelse, i en retning vinkelrett på netto strømning, hvor retningen for netto strømning er retningen som gassen vil strømme gjennom forbrenningskammeret i drift, på 2mm eller mindre, idet den eksoterme reaksjonssubstans reagerer i det eksoterme reaksjonskammer og genererer varme, samt at en endoterm reaksjonsblanding ledes inn i nevnte minst ene endoterme reaksjonskammer, og hvor fremgangsmåten har en volumetrisk varmefluks på minst 1 W/cm<3>. Furthermore, according to the invention, a method has been developed for carrying out an endothermic reaction in an integrated combustion reactor, where the method is characterized by an exothermic reacting substance being led into at least one exothermic reaction chamber which is equipped with at least one exothermic reaction chamber wall which is up to at least one exothermic reaction chamber , the reaction chamber containing an exothermic reaction catalyst in contact with at least said at least one exothermic reaction chamber wall located up to at least one endothermic reaction chamber, the exothermic reaction catalyst having an exposed surface inside the exothermic reaction chamber and the exothermic reaction catalyst's exposed surface and a second surface inside the exothermic reaction chamber, an open channel defines inside the exothermic reaction chamber, the gap having a thickness, in a direction perpendicular to the net flow, where the direction of net flow is the direction in which the gas will flow through the combustion chamber in operation, of 2mm or less, as the exothermic reaction substance reacts in the exothermic reaction chamber and generates heat, and that an endothermic reaction mixture is led into said at least one endothermic reaction chamber, and where the method has a volumetric heat flux of at least 1 W/cm <3>.

I et annet aspekt er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en fremgangsmåte for utførelse av en endoterm reaksjon i et integrert forbrenningskammer, hvor fremgangsmåten kjennetegnes ved at den omfatter: at en endoterm reaksjonssubstans ledes inn i minst ett endotermt reaksjonskammer, at en eksoterm reaksjonssubstans ledes inn i minst ett eksotermt reaksjonskammer, hvor det eksoterme reaksjonskammer er utstyrt med minst én eksoterm reaksjonskammervegg som befinner seg opptil minst ett endotermt reaksjonskammer, idet det endoterme reaksjonskammer inneholder en endoterm reaksjonskatalysator i kontakt med nevnte minste ene endoterme reaksjonskammervegg som befinner seg opptil minst ett eksotermt reaksjonskammer, mens den endoterme reaksjonskatalysator omfatter en blottlagt overflate inne i det endoterme reaksjonskammer og den endoterme reaksjonskatalysators blottlagte overflate og en andre overflate inne i det endoterme reaksjonskammer avgrenser en spalte inne i det endoterme reaksjonskammer, hvor spalten har en tykkelse, i en retning vinkelrett på netto strømning, hvor retningen for netto strømning er retningen som gassen vil bevege seg igjennom det endoterme kammer i drift, på 2mm eller mindre, og at fremgangsmåten reguleres slik at varmefluksen mellom nevnte minst ene eksoterme kammer og nevnte minst ene endoterme reaksjonskammer er 1 W/cm<3>eller mer. In another aspect, according to the invention, a method for carrying out an endothermic reaction in an integrated combustion chamber has been developed, where the method is characterized by the fact that it includes: that an endothermic reaction substance is led into at least one endothermic reaction chamber, that an exothermic reaction substance is led into at least one exothermic reaction chamber, where the exothermic reaction chamber is equipped with at least one exothermic reaction chamber wall located up to at least one endothermic reaction chamber, the endothermic reaction chamber containing an endothermic reaction catalyst in contact with said at least one endothermic reaction chamber wall located up to at least one exothermic reaction chamber, while the endothermic reaction catalyst comprises an exposed surface inside the endothermic reaction chamber and the endothermic reaction catalyst's exposed surface and a second surface inside the endothermic reaction chamber define a gap inside the endothermic reaction chamber, where the gap has a thickness, in a direction perpendicular to net flow, where the direction of net flow is the direction in which the gas will move through the endothermic chamber in operation, of 2 mm or less, and that the method is regulated so that the heat flux between said at least one exothermic chamber and said at least one endothermic reaction chamber is 1 W/cm<3> or more.

Ifølge oppfinnelsen er det også frembrakt en fremgangsmåte til utførelse av en endoterm reaksjon i en integrert forbrenningsreaktor, hvor fremgangsmåten kjennetegnes ved: at en endoterm reaksjonssubstans ledes inn i minst ett endotermt reaksjonskammer, at en eksoterm reaksjonssubstans ledes inn i minst ett eksotermt reaksjonskammer, hvor det eksoterme reaksjonskammer er utstyrt med minst én eksoterm reaksjonskammervegg som befinner seg opptil minst ett endotermt reaksjonskammer, hvor det endoterme reaksjonskammer inneholder en endoterm reaksjonskatalysator i kontakt med i det minste nevnte minst ene endoterme reaksjonskammervegg som befinner seg opptil minst ett eksotermt reaksjonskammer, idet den endoterme reaksjonskatalysator omfatter en blottlagt overflate inne i det endoterme reaksjonskammer og den endoterme reaksjonskatalysators blottlagte overflate og en andre overflate inne i det endoterme reaksjonskammer avgrenser en spalte inne i det endoterme reaksjonskammer, hvor spalten har en tykkelse, i en retning vinkelrett på netto strømning, hvor retningen for netto strømning er retningen som gassen vil strømme igjennom det endoterme reaksjonskammer i bruk, på 2mm eller mindre, hvorved den eksoterme reaksjonssubstans omfatter luft og et brensel, og hvor den eksoterme reaksjonssubstans omdannes til produkter og produktene inneholder mindre enn lOOppm N0X. According to the invention, a method has also been developed for carrying out an endothermic reaction in an integrated combustion reactor, where the method is characterized by: that an endothermic reaction substance is led into at least one endothermic reaction chamber, that an exothermic reaction substance is led into at least one exothermic reaction chamber, where exothermic reaction chambers are equipped with at least one exothermic reaction chamber wall located up to at least one endothermic reaction chamber, where the endothermic reaction chamber contains an endothermic reaction catalyst in contact with at least said at least one endothermic reaction chamber wall located up to at least one exothermic reaction chamber, the endothermic reaction catalyst comprises an exposed surface inside the endothermic reaction chamber and the exposed surface of the endothermic reaction catalyst and a second surface inside the endothermic reaction chamber defines a gap inside the endothermic reaction chamber, the gap having a thickness, in a direction perpendicular to net flow, where the direction of net flow is the direction through which the gas will flow through the endothermic reaction chamber in use, of 2mm or less, whereby the exothermic reactant comprises air and a fuel, and where the exothermic reactant is converted to products and the products contain less than lOOppm N0X.

I et annet aspekt (eller i kombinasjon med et av de ovenfor beskrevne aspekter) er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en integrert reaktor som er kjennetegnet ved at den omfatter: minst ett endotermt reaksjonskammer og/eller minst ett eksotermt reaksjonskammer, hvor minst ett reaksjonskammer omfatter minst ett porøst katalysatormateriale og minst én åpen kanal, idet hvert av nevnte minst ene (eksoterme eller endoterme) reaksjonskamre har et innvendig volum avgrenset av reaksjonskammervegger i høyde- og bredderetningen og av katalysatorlengde i lengderetningen. Det innvendige volum har dimensjonene kammerhøyde, kammerbredde og kammerlengde. Minst ett eksotermt reaksjonskammer og minst ett endotermt reaksjonskammer (som befinner seg opptil det eksoterme reaksjonskammer) har en kammerhøyde eller kammerbredde som er ca. 2mm eller mindre. På et punkt hvor kammerhøyden eller kammerbredden er ca. 2mm eller mindre danner kammer-høyden og kammerbredden et tverrsnittsareal. Tverrsnittsarealet i minst ett reaksjonskammer utgjøres av et porøst katalysatormateriale og et åpent areal hvor det porøse katalysatormateriale opptar fra 5 til 95% av tverrsnitt-arealet og hvor det åpne areal opptar fra 5 til 95% av tverrsnittsarealet. Det åpne areal i tverrsnittsarealet opptar et sammenhengende areal på fra 5 x 10~<8>til 1 x 10~<2>m<2>, og det porøse katalysatormateriale har et porevolum på fra 5 til 98%, og mer enn 20% av porevolumet utgjøres av porer som har størrelser på fra 0,1 til 300um. In another aspect (or in combination with one of the aspects described above), according to the invention, an integrated reactor has been produced which is characterized in that it comprises: at least one endothermic reaction chamber and/or at least one exothermic reaction chamber, where at least one reaction chamber comprises at least one porous catalyst material and at least one open channel, each of said at least one (exothermic or endothermic) reaction chambers having an internal volume bounded by reaction chamber walls in the height and width directions and by catalyst length in the longitudinal direction. The internal volume has the dimensions chamber height, chamber width and chamber length. At least one exothermic reaction chamber and at least one endothermic reaction chamber (located up to the exothermic reaction chamber) have a chamber height or chamber width of approx. 2mm or less. At a point where the chamber height or chamber width is approx. 2mm or less, the chamber height and chamber width form a cross-sectional area. The cross-sectional area in at least one reaction chamber consists of a porous catalyst material and an open area where the porous catalyst material occupies from 5 to 95% of the cross-sectional area and where the open area occupies from 5 to 95% of the cross-sectional area. The open area in the cross-sectional area occupies a continuous area of from 5 x 10~<8> to 1 x 10~<2>m<2>, and the porous catalyst material has a pore volume of from 5 to 98%, and more than 20% of the pore volume is made up of pores that have sizes from 0.1 to 300 µm.

Oppfinnelsen vedrører også anordninger som har vilkårlige av de unike konstruksjonsmessige trekk eller designer som beskrives her. For eksempel omfatter oppfinnelsen apparatur som omfatter en brensel-luftblandende samleledning som er vist i fig. 19. Oppfinnelsen vedrører også fremgangsmåter hvor vilkårlige av de konstruksjonsmessige trekk eller designer anvendes eller som kjennetegnes ved vilkårlige av de egenskaper eller resultater som er beskrevet her. The invention also relates to devices that have any of the unique constructional features or designs described here. For example, the invention comprises apparatus which comprises a fuel-air mixing manifold which is shown in fig. 19. The invention also relates to methods where any of the constructional features or designs are used or which are characterized by any of the properties or results described here.

Forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen kan ha slike fordeler som: lavt trykkfall, lavt behov for overskuddsluft, høy forbrenningsstabilitet, kort kontakttid, liten CO/NOx-dannelse, drift ved nær støkiometrisk lufttilførsel, større sikkerhet og høy varmesyklusstabilitet. Drift ved eller nær støkiometrisk lufttilførsel minsker total belastning på systemets luftvifte eller luftkompressor, noe som vil føre til vesentlige kostbesparelser. Various embodiments of the invention can have such advantages as: low pressure drop, low need for excess air, high combustion stability, short contact time, low CO/NOx formation, operation with close to stoichiometric air supply, greater safety and high heat cycle stability. Operation at or near stoichiometric air supply reduces the total load on the system's air fan or air compressor, which will lead to significant cost savings.

En ytterligere fordel med å senke forbrenningstemperaturen (eller temperaturen for den eksoterme reaksjon) som er nødvendig for å drive den endoterme reaksjon er anvendelse av alternative metaller eller alternativ metallurgi, slik at det kan oppnås lavere kostnad på materialer eller lengre levetid for anordningene. A further advantage of lowering the combustion temperature (or the temperature of the exothermic reaction) necessary to drive the endothermic reaction is the use of alternative metals or alternative metallurgy, so that a lower cost of materials or a longer lifetime of the devices can be achieved.

Selv om forbrenningen kan ha både homogene og heterogene bidrag, vil katalytisk forbrenning i en mikrokanal (eller en kanal med en minste åpningsdimensjon som er mindre enn avkjølingsdiameter) minske bidraget fra homogene reaksjoner og favorisere heterogen (katalytisk) forbrenning ved veggen. Dette vil også øke sikkerhet ytterligere ved inhibering av gassfasereaksjonene som ellers ville kunne ta forbrenningsblandingen godt over den sikre driftstempera-turgrense for materialet. Inhibering blir sterkere med avtagende minimumskanaldimensjon og med økende katalytisk overflateareal på kanalveggene. Although combustion can have both homogeneous and heterogeneous contributions, catalytic combustion in a microchannel (or a channel with a smallest opening dimension smaller than the cooling diameter) will reduce the contribution from homogeneous reactions and favor heterogeneous (catalytic) combustion at the wall. This will also further increase safety by inhibiting the gas phase reactions which would otherwise take the combustion mixture well above the safe operating temperature limit for the material. Inhibition becomes stronger with decreasing minimum channel dimension and with increasing catalytic surface area on the channel walls.

I forbindelse med andre trekk ved oppfinnelsen gjør anvendelsen av en forbistrømningsutforming hvor et reaksjonskammer har en slik spalte at gasser kan strømme forbi (heller enn gjennom) en katalysator det mulig med en vesentlig forbedring av ytelse i forhold til kjent teknikk. Denne forbedrete ytelse viste seg i de integrerte for-brenningsreaktortester (ICR) ved mye høyere varmefluks (for eksempel 29 W/cm3 på en arealbasis eller 118 W/cm3 på en volumetrisk basis) enn alle som er rapportert i litteraturen ved et minimalt trykkfall (for eksempel < 0,3 bar) ved en reaktorlengde på 2,5cm. På grunn av at den integrerte forbrenningsreaktor kan oppnå slike høye varmeflukser uten å forårsake for store trykkfall, er endoterme reaksjonskontakttider gjennomførbare, som er mye kortere enn de for katalytiske anordninger med gjennomstrømning eller monolittiske anordninger. Kortere kontakttider muliggjør en høyere produktivitet eller gjennomstrømning gjennom enhetsvolum av reaktor. In connection with other features of the invention, the use of a by-flow design where a reaction chamber has such a gap that gases can flow past (rather than through) a catalyst makes possible a significant improvement in performance compared to prior art. This improved performance was demonstrated in the integrated combustion reactor (ICR) tests at much higher heat flux (eg 29 W/cm3 on an area basis or 118 W/cm3 on a volumetric basis) than any reported in the literature at a minimal pressure drop ( for example < 0.3 bar) at a reactor length of 2.5 cm. Because the integrated combustion reactor can achieve such high heat fluxes without causing excessive pressure drops, endothermic reaction contact times are feasible, which are much shorter than those of flow-through catalytic devices or monolithic devices. Shorter contact times enable a higher productivity or throughput through unit volume of reactor.

Innføring av sideveis fordelt (tvers over en kanal) forbrenningsbrensel og luft i felles strømning med endoterm reaktantstrøm konsentrerer varmetransporten ved det endoterme reaktorinntak, hvor konsentrasjonsgradienten (og derfor reaksjonshastigheten) er høyest, hvorved bedre resultater enn for systemer som fordeler forbrennings-brenselet over forbrenningskatalysatorens totale overflate oppnås. Selv om eksemplene med fordelt forbrenning likevel oppviser utmerket varmefluks sammenlignet med konvensjonelle dampreformeringsanordninger. Introduction of laterally distributed (across a channel) combustion fuel and air in joint flow with endothermic reactant flow concentrates the heat transport at the endothermic reactor inlet, where the concentration gradient (and therefore the reaction rate) is the highest, resulting in better results than for systems that distribute the combustion fuel over the total of the combustion catalyst surface is achieved. Although the distributed combustion examples still exhibit excellent heat flux compared to conventional steam reformers.

Det erkjennes også at den foreliggende oppfinnelse vil kunne benytte alternative eksoterme reaksjoner, så som oksidasjonsreaksjoner, blant annet partiell oksidasjons-reaksjon, for å drive en endoterm reaksjon. It is also recognized that the present invention will be able to use alternative exothermic reactions, such as oxidation reactions, including partial oxidation reactions, to drive an endothermic reaction.

Ordliste Dictionary

Skiver ("shims") refererer til stort sett plane plater eller ark som kan ha vilkårlig bredde og høyde og fortrinnsvis har en tykkelse (den minste dimensjon) på 2mm eller mindre og i noen foretrukne utførelsesformer mellom 50 og 500um. Shims refer to generally planar plates or sheets which may be of arbitrary width and height and preferably have a thickness (smallest dimension) of 2mm or less and in some preferred embodiments between 50 and 500um.

"Enhetsoperasjon" betyr kjemisk reaksjon, fordampning, kompresjon, kjemisk separering, destillasjon, kondensasjon, oppvarming eller avkjøling. "Enhetsoperasjon" betyr ikke bare blanding eller fluidtransport, selv om blanding og transport ofte foregår sammen med enhetsoperasjoner. "Unit Operation" means chemical reaction, evaporation, compression, chemical separation, distillation, condensation, heating or cooling. "Unit operation" does not simply mean mixing or fluid transport, although mixing and transport often occur together with unit operations.

En mikrokanal har minst én dimensjon på 2mm eller mindre. A microchannel has at least one dimension of 2mm or less.

En "åpen kanal" er en spalte på minst 0,05mm som rager hele veien gjennom et reaksjonskammer slik at gasser kan strømme gjennom reaksjonskammeret med. forholdsvis lavt trykkfall. An "open channel" is a gap of at least 0.05mm that extends all the way through a reaction chamber so that gases can flow through the reaction chamber with. relatively low pressure drop.

I drift kommer en reaktant inn i et forbrennings- eller reaksjonskammer i en massestrømbane som strømmer forbi og i kontakt med et "porøst materiale" eller "porøs katalysator". En del av reaktanten diffunderer molekylært på tvers inn i den porøse katalysator og reagerer under dannelse av et produkt eller produkter, og deretter diffunderer produktet/produktene på tvers inn i massestrømbanen og ut av reaktoren. In operation, a reactant enters a combustion or reaction chamber in a mass flow path flowing past and in contact with a "porous material" or "porous catalyst". A portion of the reactant molecularly diffuses transversely into the porous catalyst and reacts to form a product or products, and then the product(s) diffuse transversely into the mass flow path and out of the reactor.

Betegnelsen "massestrømbane" henviser til åpne områder eller åpne kanaler inne i reaksjonskammeret. Et sammenhengende, massestrømområde muliggjør hurtig gasstrømning gjennom reaksjonskammeret uten store trykkfall. I foretrukne utførelsesformer er der en laminer strømning i det massestrømområdet. Massestrømområder inne i hvert reaksjonskammer har fortrinnsvis et tverrsnittsareal på fra 5 x IO"<8>til 1 x10"2m<2>, mer foretrukket fra 5 x IO"<7>til 1 x 10"<4>m<2>. De samlete massestrømområdene utgjør fortrinnsvis minst 5%, mer foretrukket 30-80%, av enten 1) reaksjonskammerets innvendige volum eller 2) reaksjonskammerets tverrsnitt. The term "mass flow path" refers to open areas or open channels inside the reaction chamber. A continuous, mass flow area enables rapid gas flow through the reaction chamber without large pressure drops. In preferred embodiments, there is a laminar flow in that mass flow region. Mass flow regions inside each reaction chamber preferably have a cross-sectional area of from 5 x 10"<8> to 1 x 10"2m<2>, more preferably from 5 x 10"<7> to 1 x 10"<4>m<2>. The combined mass flow areas preferably comprise at least 5%, more preferably 30-80%, of either 1) the internal volume of the reaction chamber or 2) the cross-section of the reaction chamber.

"Likevektsomdanning" defineres på den klassiske måte, hvor den størst oppnåelige omdanning er en funksjon av reaktortemperaturen, -trykket og det tilførte materialets sammensetning. Ved hydrokarbon- dampreformeringsreaksjoner øker likevektsomdanningen med økende temperatur og avtar med økende trykk. "Equilibrium conversion" is defined in the classical way, where the greatest achievable conversion is a function of the reactor temperature, pressure and the composition of the added material. In hydrocarbon steam reforming reactions, the equilibrium conversion increases with increasing temperature and decreases with increasing pressure.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Fig. 1 viser en integrert reaktor. Fig. 1 shows an integrated reactor.

Fig. 2a og 2b viser reaksjonskammerutforminger. Fig. 2a and 2b show reaction chamber designs.

Fig. 3 og 4a viser tverrsnitt av integrerte reaktorer. Fig. 3 and 4a show cross-sections of integrated reactors.

Fig. 4b viser et uttrukket riss av en integrert reaktor. Fig. 5 og 6 viser integrerte dampreformeringsreaktorer. Fig. 7 viser utforminger av skiver for fremstilling av en reaktor. Fig. 8 viser et skjematisk riss av en reaktor som anvendes i eksemplene. Fig. 4b shows an extended view of an integrated reactor. Figures 5 and 6 show integrated steam reforming reactors. Fig. 7 shows designs of disks for the production of a reactor. Fig. 8 shows a schematic view of a reactor used in the examples.

Fig. 9-12 viser data fra eksemplene. Fig. 9-12 shows data from the examples.

Fig. 13 viser et skjematisk riss av en reaktor anvendt i eksemplene. Fig. 13 shows a schematic view of a reactor used in the examples.

Fig. 14-16 viser data fra eksemplene. Fig. 14-16 shows data from the examples.

Fig. 17-20 viser utforminger av reaktorer beskrevet i eksemplene. Fig. 17-20 show designs of reactors described in the examples.

Fig. 21-24 viser data fra eksemplene. Fig. 21-24 shows data from the examples.

Fig. 25 viser en utforming av en reaktor beskrevet i eksemplene. Fig. 25 shows a design of a reactor described in the examples.

Fig. 26-27 viser data fra eksemplene. Fig. 26-27 show data from the examples.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen Detailed description of the invention

En integrert reaktor ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter et første reaksjonskammer som inneholder en katalysator som er i stand til å katalysere en eksoterm reaksjon, og et tilgrensende, andre reaksjonskammer, som inneholder en katalysator som er i stand til å katalysere en endoterm reaksjon. En reaksjonskammervegg skiller det første og det andre reaksjonskammer. An integrated reactor according to the present invention comprises a first reaction chamber containing a catalyst capable of catalyzing an exothermic reaction, and an adjacent second reaction chamber containing a catalyst capable of catalyzing an endothermic reaction. A reaction chamber wall separates the first and second reaction chambers.

Et riss av en del av en foretrukket type reaktorapparat er vist i fig. 1. Et eksotermt reaksjonskammer 12 inneholder eksoterme reaksjonskatalysatorer 14, 16 og en åpen kanal 18. Et endotermt reaksjonskammer 15 omfatter en endoterm reaksjonskatalysator 17 og en åpen kanal 19. A diagram of part of a preferred type of reactor apparatus is shown in fig. 1. An exothermic reaction chamber 12 contains exothermic reaction catalysts 14, 16 and an open channel 18. An endothermic reaction chamber 15 comprises an endothermic reaction catalyst 17 and an open channel 19.

I den foreliggende oppfinnelse har det eksoterme (og/eller endoterme) reaksjonskammer fortrinnsvis en bredde (den minste dimensjon som er vinkelrett på strømning) på 2mm eller mindre, fortrinnsvis lmm eller mindre og i noen utførelsesformer 0,5mm eller mindre. Et reaksjonskammers dimensjoner er de innvendige dimensjoner og inkluderer katalysator, men inkluderer ikke kammerveggene. En reaksjonskammervegg (som skiller de eksoterme og endoterme reaksjonskamre) bør være varmeledende og fortrinnsvis ha en tykkelse (avstanden mellom reaksjonskamrene) på 5mm eller mindre, mer foretrukket 2mm eller mindre og i noen utførelsesformer en bredde på fra 1 til 2mm. En kort varmetransportstrekning er ønsket for god ytelse. Det er blitt iakttatt at disse korte varmetransportstrekninger kombinert med foretrukne reaktorutforminger kan frembringe overraskende høy volumetrisk produktivitet og lavt trykkfall . In the present invention, the exothermic (and/or endothermic) reaction chamber preferably has a width (the smallest dimension perpendicular to flow) of 2mm or less, preferably 1mm or less and in some embodiments 0.5mm or less. The dimensions of a reaction chamber are the internal dimensions and include the catalyst, but do not include the chamber walls. A reaction chamber wall (separating the exothermic and endothermic reaction chambers) should be thermally conductive and preferably have a thickness (the distance between the reaction chambers) of 5mm or less, more preferably 2mm or less and in some embodiments a width of from 1 to 2mm. A short heat transfer distance is desired for good performance. It has been observed that these short heat transport distances combined with preferred reactor designs can produce surprisingly high volumetric productivity and low pressure drop.

Som beskrevet mer detaljert nedenfor kan foretrukne fremgangsmåter ifølge oppfinnelsen beskrives ved hjelp av utformingene av apparaturen og/eller ved hjelp av målbare karakteristika, så som varmefluks, volumetrisk produktivitet og/eller trykkfall (som også ville kunne blitt beskrevet i forbindelse med fremgangsmåtebetingelser, så som strømningshastighet, temperatur etc.). As described in more detail below, preferred methods according to the invention can be described with the help of the designs of the apparatus and/or with the help of measurable characteristics, such as heat flux, volumetric productivity and/or pressure drop (which could also be described in connection with process conditions, such as flow rate, temperature etc.).

Fig. 1 viser reaksjonskamre som har form av parallell-epipeder, men det skal forstås at andre former også vil være mulige, så som sylindere (for eksempel tilgrensende sylindere eller sylindere med en eksoterm katalysator delvis omsluttet av en bue inneholdende en endoterm reaksjonskatalysator, eller omvendt), eller prismer (fortrinnsvis tettpakkete prismer for å minske varme-transportstrekningen og maksimalisere overflatearealet for varmetransport). Slike former vil for eksempel kunne fremstilles ved boring gjennom en blokk eller ved laminering av en stabel av skiver med formede, fluktende åpninger, slik at de stablete og sammenbundne skiver danner en passasje som har grenser dannet av åpningenes kanter. For å øke overflateareal kan i noen utførelsesformer reaksjonskammeret (enten eksotermt, endotermt eller begge) ha fremspring eller et sett av mikrokanaler slik som vist i fig. 2a og 2b. Fremspring 22 eller mikrokanalvegger 24 kan belegges med en katalysator slik at det dannes et katalysatorbelegg (ikke vist), så som ved vaskebelegging, kjemisk dampbelegging etc. Fig. 1 shows reaction chambers that have the shape of parallelepipeds, but it should be understood that other shapes will also be possible, such as cylinders (for example adjacent cylinders or cylinders with an exothermic catalyst partially enclosed by an arch containing an endothermic reaction catalyst, or vice versa), or prisms (preferably close-packed prisms to reduce the heat transport distance and maximize the surface area for heat transport). Such shapes could, for example, be produced by drilling through a block or by laminating a stack of disks with shaped, flush openings, so that the stacked and connected disks form a passage which has borders formed by the edges of the openings. In order to increase surface area, in some embodiments the reaction chamber (either exothermic, endothermic or both) may have protrusions or a set of microchannels as shown in fig. 2a and 2b. Projections 22 or microchannel walls 24 can be coated with a catalyst so that a catalyst coating (not shown) is formed, such as by wash coating, chemical vapor coating, etc.

I en annen foretrukket utførelsesform (se fig. 3) har en reaksjonskammervegg 31 finner 32. Finnene kan ha vilkårlig form og kan rage delvis eller fullstendig over et reaksjonskammers bredde. Fortrinnsvis er én eller flere katalysatorer (ikke vist) avsatt over reaksjonskammerveggene for å danne eksoterme eller endoterme reaksjonskamre. I den viste anordning er strømning i drift inn i eller ut av tegningsplanet. Fortrinnsvis er reaksjonskamrene stablet i alternerende lag eller eksoterme 34 og endoterme 36 reaksjonskamre atskilt med en varmeledende kammervegg 38. In another preferred embodiment (see Fig. 3), a reaction chamber wall 31 has fins 32. The fins can have any shape and can project partially or completely over the width of a reaction chamber. Preferably, one or more catalysts (not shown) are deposited over the reaction chamber walls to form exothermic or endothermic reaction chambers. In the device shown, flow is in operation into or out of the drawing plane. Preferably, the reaction chambers are stacked in alternating layers or exothermic 34 and endothermic 36 reaction chambers separated by a heat-conducting chamber wall 38.

Alternerende lag av eksoterme og endoterme reaksjonskamre er et generelt trekk ved oppfinnelsen, og fortrinnsvis er der minst to, mer foretrukket minst fem, lag av endoterme reaksjonskamre som alternerer med minst ett, mer foretrukket minst fire, lag av eksoterme reaksjonskamre. Fortrinnsvis er apparaturen og fremgangsmåtene utformet slik at de ytre lag har halvparten av reaktantstrømmen sammenlignet med indre lag av samme type. For eksempel har i en anordning som har to eksoterme reaksjonskamre interfoliert mellom tre endoterme reaksjonskamre de ytre to endoterme reaksjonskamre en halvpart av strømningen i det indre endoterme reaksjonskammer. Alternating layers of exothermic and endothermic reaction chambers is a general feature of the invention, and preferably there are at least two, more preferably at least five, layers of endothermic reaction chambers which alternate with at least one, more preferably at least four, layers of exothermic reaction chambers. Preferably, the apparatus and methods are designed so that the outer layers have half the reactant flow compared to inner layers of the same type. For example, in a device that has two exothermic reaction chambers interleaved between three endothermic reaction chambers, the outer two endothermic reaction chambers have half of the flow in the inner endothermic reaction chamber.

I en annen utførelsesform, se fig. 4a, er et integrert reaksjonskammer dannet av tilgrensende reaksjonskamre hvor ett reaksjonskammer inneholder en porøs katalysatorinnsats 42 (i fig. 4a fyller innsatsen hele reaksjonskammeret slik at reaktantene vil strømme gjennom katalysatoren, en mindre foretrukket utførelsesform som kan benyttes når relativt store trykkfall er akseptable eller katalysatorreaksjons-kinetikkene ikke understøtter meget hurtige reaksjoner på titalls millisekunder). Reaktorvegger 43, 45 skiller et kammer 42 fra et tilgrensende reaksjonskammer 44, som har åpne kanaler som kan inneholde en katalysator (ikke vist) anbrakt i hver kanal. Fig. 4b viser et utspilt riss med stykkene som kan sammenføyes til den sammenbundne anordning. In another embodiment, see fig. 4a, is an integrated reaction chamber formed by adjacent reaction chambers where one reaction chamber contains a porous catalyst insert 42 (in fig. 4a the insert fills the entire reaction chamber so that the reactants will flow through the catalyst, a less preferred embodiment which can be used when relatively large pressure drops are acceptable or catalyst reaction -the kinetics do not support very fast reactions of tens of milliseconds). Reactor walls 43, 45 separate a chamber 42 from an adjacent reaction chamber 44, which has open channels which may contain a catalyst (not shown) placed in each channel. Fig. 4b shows an exploded view with the pieces that can be joined to form the connected device.

Fig. 5 viser en utførelsesform som for eksempel ville kunne være for en dampreformeringsanordning hvori hydrogen (eller alternativt brensel) forbrennes for å tilføre varme. Et Fig. 5 shows an embodiment which, for example, could be for a steam reforming device in which hydrogen (or alternatively fuel) is burned to supply heat. One

reformatmateriale strømmer gjennom en åpne kanal 52. Hydrogen (eller alternativ forbrenningsbrensel) strømmer gjennom en åpen kanal 54. Luft (eller annen oksygenholdig substans) i kanaler 56 strømmer gjennom åpninger 58 og inn i kanalen 54 hvor oksygenet reagerer ved hydrogen, hovedsakelig på en forbrenningskatalysator 53. Fortrinnsvis er alle dimensjoner i hydrogenkanalen mindre enn eller nær kjøle-strekningen ("quench distance") for hydrogen (eller alternativt brensel, som vil kunne omfatte hydrogen og andre hydrokarboner) for den valgte oksidant ved den nødvendige temperatur, selv om dette kanskje ikke er mulig, særlig for et hydrogenbrensel. Forbrenningseksos 55 forvarmer den oksygenholdige substans. Forbrenningsvarme tilføres til en reformeringskatalysator 57 gjennom en reaksjonskammervegg 59. Det er ønskelig at den åpne kanals 54 dimensjoner reguleres til å undertrykke flammedannelse. I denne utførelses-form innføres den oksygenholdige substans i fronten (dvs. nær hydrogeninntaket) av reaktoren, og forbrenningsgassen og reformatstrømmen er i et felles strømningsarrangement. Denne utforming har to vesentlige fordeler: (1) både den eksoterme og den endoterme reaktor har den høyeste reaksjon av reaktanter og derfor den hurtigste reaksjon i det samme område, og (2) hydrogenet blandes med oksygen i reaksjonskammeret og unngår derved forblanding og reaksjon utenfor reaksjonskammeret. reformate material flows through an open channel 52. Hydrogen (or alternative combustion fuel) flows through an open channel 54. Air (or other oxygen-containing substance) in channels 56 flows through openings 58 and into channel 54 where the oxygen reacts with hydrogen, mainly on a combustion catalyst 53. Preferably, all dimensions in the hydrogen channel are less than or close to the quench distance for hydrogen (or alternatively fuel, which may include hydrogen and other hydrocarbons) for the selected oxidant at the required temperature, although this may is not possible, especially for a hydrogen fuel. Combustion exhaust 55 preheats the oxygen-containing substance. Combustion heat is supplied to a reforming catalyst 57 through a reaction chamber wall 59. It is desirable that the dimensions of the open channel 54 are regulated to suppress flame formation. In this embodiment, the oxygen-containing substance is introduced into the front (ie near the hydrogen intake) of the reactor, and the combustion gas and the reformate stream are in a common flow arrangement. This design has two significant advantages: (1) both the exothermic and the endothermic reactor have the highest reaction of reactants and therefore the fastest reaction in the same area, and (2) the hydrogen is mixed with oxygen in the reaction chamber, thereby avoiding premixing and reaction outside the reaction chamber.

Fig. 6a viser et lignende arrangement med unntagelse av at veggen som skiller hydrogenkanalen og luft- eller oksygen-kanalen har flere åpninger 62, som fordeler oksygen gjennom hydrogenkanalen. Fig. 6b viser et riss ovenfra an plater som vil kunne anvendes for å konstruere hydrogenkanal(er) 61 og en skilleplate 64 (hvilken som helst av de to plater vil kunne anvendes). I en variant av den viste prosess i fig. 6 vil hydrogen kunne fordeles i et luft- (eller oksygen) kammer som er opptil det endoterme reaksjonskammer. Fig. 6a shows a similar arrangement with the exception that the wall separating the hydrogen channel and the air or oxygen channel has several openings 62, which distribute oxygen through the hydrogen channel. Fig. 6b shows a view from above of plates that can be used to construct hydrogen channel(s) 61 and a separating plate 64 (any of the two plates can be used). In a variant of the process shown in fig. 6, hydrogen can be distributed in an air (or oxygen) chamber which is up to the endothermic reaction chamber.

Selvfølgelig skal det forstås at i enhver av de anordninger som beskrives her vil alternative reaktanter kunne anvendes istedenfor de reaktanter som er nevnt. For eksempel vil metan eller annet brensel kunne anvendes istedenfor hydrogen. Tilsvarende kan betingelser varieres, for eksempel vil strømning kunne være krysningsstrømning eller motstrøm. Selv om apparaturen i noen figurer er vist med bare et eksotermt reaksjonskammer skal det forstås at flere alternerende lag vil kunne anvendes, eller to eksoterme reaksjonskamre vil kunne danne en sandwichkonstruksjon med et endotermt reaksjonskammer. Of course, it should be understood that in any of the devices described here, alternative reactants can be used instead of the reactants mentioned. For example, methane or other fuel could be used instead of hydrogen. Correspondingly, conditions can be varied, for example flow could be cross flow or counter flow. Although in some figures the apparatus is shown with only one exothermic reaction chamber, it should be understood that several alternating layers could be used, or two exothermic reaction chambers could form a sandwich construction with an endothermic reaction chamber.

Et reaksjonskammer har dimensjonen høyde, bredde og lengde. Høyden og/eller bredden er fortrinnsvis 2mm eller mindre, A reaction chamber has the dimensions height, width and length. The height and/or width is preferably 2mm or less,

mer foretrukket lmm eller mindre (hvorved reaksjonskammeret faller innenfor den klassiske definisjon av en mikrokanal). Reaksjonskammerets lengde er typisk lenger. Fortrinnsvis er reaksjonskammerets lengde over lem, mer foretrukket i more preferably lmm or less (whereby the reaction chamber falls within the classic definition of a microchannel). The length of the reaction chamber is typically longer. Preferably, the length of the reaction chamber is over limb, more preferably i

området fra l-50cm. Typisk avgrenses reaksjonskammerets sider av reaksjonskammervegger. Disse vegger er fortrinnsvis fremstilt av hardt materiale, så som et keramisk stoff, en jernbasert legering, så som stål, eller monell, eller høytemperatur-nikkelbaserte superlegeringer, så som Inconel 625, Inconel 617 eller Haynes 230. Mer foretrukket består reaksjonskammerveggene av rustfritt stål eller Inconel, som er holdbart og har god varmeledningsevne. the range from l-50cm. Typically, the sides of the reaction chamber are delimited by reaction chamber walls. These walls are preferably made of a hard material, such as a ceramic material, an iron-based alloy, such as steel, or monel, or high-temperature nickel-based superalloys, such as Inconel 625, Inconel 617 or Haynes 230. More preferably, the reaction chamber walls consist of stainless steel or Inconel, which is durable and has good thermal conductivity.

I tillegg til varmetransport mellom tilgrensende reaksjonskamre kan i noen utførelsesformer et reaksjonskammer være i varmekontakt med en mikrokanal varmeveksler. Denne kombinasjon av reaksjonskammer(e) og varmeveksler(e) kan resul- tere i høye varmetransporthastigheter. Eksempler på og mer detaljert beskrivelse av anvendelsen av mikrokanalvarme-vekslere er gitt i Amerikansk patentsøknad 09/492.246 av 27. januar 2000, inkorporert her ved henvisning. I noen utførelsesformer har reaksjonskammeret/kamrene og varme-vekslerne en varmefluks på minst 0,6 W per cm<3>reaktorvolum. In addition to heat transport between adjacent reaction chambers, in some embodiments a reaction chamber may be in thermal contact with a microchannel heat exchanger. This combination of reaction chamber(s) and heat exchanger(s) can result in high heat transfer rates. Examples of and more detailed description of the use of microchannel heat exchangers are provided in US Patent Application 09/492,246 dated January 27, 2000, incorporated herein by reference. In some embodiments, the reaction chamber(s) and heat exchangers have a heat flux of at least 0.6 W per cm<3>reactor volume.

I noen foretrukne utførelsesformer har reaksjonskammeret et innløp og en utløp med en sammenhengende massestrømnings-bane fra innløpet til utløpet. I disse foretrukne ut-førelsesf ormer er trykkfallet fra innløp til utløp fortrinnsvis mindre enn 20%, mer foretrukket mindre enn 10% av systemets innløpstrykk. Trykkfallet er fortrinnsvis mindre enn 350 kPa, og mer foretrukket er trykkfallet mindre enn 70 kPa. Et lavt trykkfall er ønskelig for å redusere størrelsen og kostnaden på annet systemutstyr, så som pumper og kompressorer. I andre, mindre foretrukne ut-førelsesf ormer kan reaksjonskammeret omfatte en seksjon, så som en porøs plugg, som hemmer massestrømning. In some preferred embodiments, the reaction chamber has an inlet and an outlet with a continuous mass flow path from the inlet to the outlet. In these preferred embodiments, the pressure drop from inlet to outlet is preferably less than 20%, more preferably less than 10% of the system's inlet pressure. The pressure drop is preferably less than 350 kPa, and more preferably the pressure drop is less than 70 kPa. A low pressure drop is desirable to reduce the size and cost of other system equipment, such as pumps and compressors. In other, less preferred embodiments, the reaction chamber may comprise a section, such as a porous plug, which inhibits mass flow.

Den integrerte reaktor arbeider best med spesifikke for-greningskammerutforminger som 1) hindrer The integrated reactor works best with specific manifold chamber designs that 1) prevent

forbrenningsreaksjon oppstrøms for mikrokanalkatalysatoren og 2) fordeler én av forbrenningsreaktantene jevnt tvers over mikrokanaltverrsnittet. combustion reaction upstream of the microchannel catalyst and 2) distributes one of the combustion reactants evenly across the microchannel cross-section.

Fortrinnsvis er massestrømbanens (eller den åpne kanal-spaltes) bredde inne i reaksjonskammer mindre enn eller lik lmm, og lengden (retningen for nettostrømning) er fortrinnsvis mindre enn eller lik 50cm. Den porøse katalysators bredde kan variere, men er fortrinnsvis minst 20%, mer foretrukket 50%, av massestrømningsbanens omkrets. Preferably, the width of the mass flow path (or the open channel gap) inside the reaction chamber is less than or equal to 1mm, and the length (the direction of net flow) is preferably less than or equal to 50cm. The width of the porous catalyst can vary, but is preferably at least 20%, more preferably 50%, of the circumference of the mass flow path.

Den foreliggende oppfinnelse vil også kunne anvendes for reaksjoner i væskefase. Ved væskefasereaksjoner vil den kritiske kanaldimensjon sannsynligvis være mindre enn dimensjonen for gassfasereaksjonene for å tilpasses til den nedsatte massediffusjonshastighet som bringer reaktantene til den katalytiske overflate. The present invention can also be used for reactions in the liquid phase. In liquid-phase reactions, the critical channel dimension will probably be smaller than the dimension for gas-phase reactions to accommodate the reduced mass diffusion rate that brings the reactants to the catalytic surface.

Det "porøse katalysatormaterialet" som beskrives her vedrører et porøst materiale som har et porevolum på fra 5 til 98%, mer foretrukket fra 30 til 95%, av det totale porøse materialets volum. Minst 20% (mer foretrukket minst 50%) av materialets porevolum består av porer i størrelses-området (diameterområdet) fra 0,1 til 300um, mer foretrukket fra 0,3 til 200um og enda mer foretrukket fra 1 til lOOum. Porevolum og porestørrelsesfordeling måles ved kvikksølvporøssimetri (under antagelse av sylindrisk geometri for porene) og nitrogenadsorpsjon. Som kjent er kvikksølvporøssimetri og nitrogenabsorpsjon komplementære teknikker hvor kvikksølvporøssymmetri er mer nøyaktig for måling av store porestørrelser (større enn 30nm) og nitro-genabsorps jon nøyaktigere for små porer (mindre enn 50nm). Porestørrelser i området fra ca. 0,1 til 300um gjør det mulig for molekyler å diffundere molekylært gjennom materialene under de fleste gassfasekatalysebetingelser. Det porøse materialet kan selv være en katalysator, men fortrinnsvis omfatter det porøse materialet en metall-, keramikk- eller komposittbærer hvorpå det er avsatt ett eller flere lag av katalysatormaterialet. Porøsiteten kan være geometrisk regulær som i en bikake- eller parallell porestruktur, eller porøsiteten kan være geometrisk snirklet eller tilfeldig. Fortrinnsvis er bæreren et skummetall, et skumkeramisk stoff, en metallfilt (dvs. mattformete, uvevede fibrer) eller en metallduk. The "porous catalyst material" described here relates to a porous material having a pore volume of from 5 to 98%, more preferably from 30 to 95%, of the total volume of the porous material. At least 20% (more preferably at least 50%) of the material's pore volume consists of pores in the size range (diameter range) from 0.1 to 300 µm, more preferably from 0.3 to 200 µm and even more preferably from 1 to 100 µm. Pore volume and pore size distribution are measured by mercury pore symmetry (assuming cylindrical geometry for the pores) and nitrogen adsorption. As is known, mercury porosity symmetry and nitrogen absorption are complementary techniques where mercury porosity symmetry is more accurate for measuring large pore sizes (greater than 30nm) and nitrogen absorption is more accurate for small pores (less than 50nm). Pore sizes in the range from approx. 0.1 to 300um allows molecules to molecularly diffuse through the materials under most gas phase catalysis conditions. The porous material can itself be a catalyst, but preferably the porous material comprises a metal, ceramic or composite carrier on which one or more layers of the catalyst material have been deposited. The porosity may be geometrically regular as in a honeycomb or parallel pore structure, or the porosity may be geometrically tortuous or random. Preferably, the support is a foamed metal, a foamed ceramic fabric, a metal felt (ie mat-shaped, non-woven fibers) or a metal cloth.

Foretrukne, aktive hovedbestanddeler i katalysatorene omfatter: grunnstoffer i IUPAC-gruppene IIA, IVA, VA, VIA, VHA, VIIIA, IB, IIB, IVB, lantanidserien og aktinidserien. Lagene av katalysator er, dersom de foreligger, fortrinnsvis også porøse. Den gjennomsnittlige porestørrelse (volum-gjennomsnittlig) av katalysatorlaget/lagene er fortrinnsvis mindre enn bærerens gjennomsnittlige porestørrelse. Pore- størrelsen i katalysatorlaget/lagene som er anbrakt på bæreren er fortrinnsvis i området fra 10~<9>m til 10~<7>m målt ved N2-adsorpsjon ved BET-metoden. Mer foretrukket består minst 50vol% av det totale porevolum av porer i størrelses-området fra 10~<9>m til 10~<7>m i diameter. Diffusjon inne i disse små porer i katalysatorlaget/lagene er typisk Knudsen av natur for gassfasesystemer, hvorved molekylene kolli-derer med veggene i porene oftere enn med andre gassfase-molekyler. Preferred active principal constituents of the catalysts include: elements in IUPAC groups IIA, IVA, VA, VIA, VHA, VIIIA, IB, IIB, IVB, the lanthanide series and the actinide series. The layers of catalyst, if present, are preferably also porous. The average pore size (volume average) of the catalyst layer(s) is preferably smaller than the average pore size of the support. The pore size in the catalyst layer(s) placed on the support is preferably in the range from 10~<9>m to 10~<7>m measured by N2 adsorption by the BET method. More preferably, at least 50 vol% of the total pore volume consists of pores in the size range from 10~<9>m to 10~<7>m in diameter. Diffusion inside these small pores in the catalyst layer(s) is typically Knudsen in nature for gas phase systems, whereby the molecules collide with the walls of the pores more often than with other gas phase molecules.

I foretrukne utførelsesformer er katalysatorene i form av innsatser som bekvemt kan innføres i og fjernes fra et reaksjonskammer. Reaksjonskamre (enten av den samme type eller av forskjellige typer) kan kombineres i serie med flere typer katalysatorer. For eksempel kan reaktanter ledes gjennom et første reaksjonskammer som inneholder en første type katalysator, og produktene fra dette kammer kan ledes inn i et etterfølgende reaksjonskammer (eller et etterfølgende trinn i det samme reaksjonskammer) som inneholder en andre type katalysator hvor produktet (eller mer riktig benevnt, mellomproduktet) omdannes til et mer ønsket produkt. Dersom det er ønskelig kan ytterligere reaktant(er) tilsettes til det etterfølgende reaksjonskammer. In preferred embodiments, the catalysts are in the form of inserts that can be conveniently introduced into and removed from a reaction chamber. Reaction chambers (either of the same type or of different types) can be combined in series with several types of catalysts. For example, reactants can be passed through a first reaction chamber containing a first type of catalyst, and the products from this chamber can be passed into a subsequent reaction chamber (or a subsequent step in the same reaction chamber) containing a second type of catalyst where the product (or more correctly termed, the intermediate product) is converted into a more desired product. If desired, further reactant(s) can be added to the subsequent reaction chamber.

Katalysatoren vil også kunne anbringes ved andre metoder, så som vaskebelegging. På metalloverflater foretrekkes det å først anbringe et bufferlag ved kjemisk dampavsetning, termisk oksidasjon etc, som bedrer de etterfølgende vaskebeleggs vedheft. The catalyst will also be able to be applied by other methods, such as wash coating. On metal surfaces, it is preferred to first apply a buffer layer by chemical vapor deposition, thermal oxidation, etc., which improves the adhesion of the subsequent washing coatings.

Foretrukne reaktorer og fremgangsmåter for utførelse av reaksjoner i integrerte reaktorer kan kjennetegnes ved deres egenskaper. Med mindre noe annet er angitt måles disse egenskaper ved å benytte de testebetingelser som er beskrevet i eksempeldelen. Oppfinnelsen kan kjennetegnes vilkårlig av egenskapene individuelt eller i vilkårlig kombinasjon. Gjennomsnittlig volumetrisk varmefluks er fortrinnsvis minst 1 W/cm<3>, eller, i andre foretrukne utførelsesformer, minst 5 eller 10 eller 20 eller 50 eller 100 eller ca. 120 W/cm<3>, og i noen utførelsesformer mellom 10 og ca. 120 W/cm<3>. Anordningene kan være kjennetegnet ved den lave NOx-utgang målt ved standard NOx-testmålingen som beskrives i eksempeldelen. NOx-utgang er fortrinnsvis mindre enn lOOppm, mer foretrukket mindre enn 50ppm, enda mer foretrukket mindre enn lOppm og enda mer foretrukket mindre enn 5ppm, og i noen utførelsesformer er NOx-utgangen i området fra ca. 5-20ppm. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen omfatter forbrenning hvor det fortrinnsvis anvendes mindre enn 100% overskuddsluft (eller ekvivalent over-skuddsoksygen), mer foretrukket mindre enn 75%, enda mer foretrukket mindre enn 50%, ytterligere mer foretrukket mindre enn 25%, eller 10% eller 5% overskuddsluft. For karakterisering av anordninger måles overskuddsluft under de betingelser som er angitt i varmefluksmålingstesten (ved karakterisering sammen med NOx-utgang) målt under de betingelser som er angitt i den standard NOx-testmåling. Trykkfall gjennom de eksoterme og/eller endoterme reaksjonskamre er fortrinnsvis mindre enn følgende (i den rekkefølge de foretrekkes, basert på reaksjonskammerets lengde) 295.000, 250.000, 125.000, 50.000, 25.000, 12.500, 2500 eller 1500 Pa/cm. For anordninger måles trykkfallet under de betingelser som er angitt i varmefluksmålingstesten (ved karakterisering sammen med NOx-utgangen) målt under de betingelser som er angitt under standard NOx-testmålingen . Preferred reactors and methods for carrying out reactions in integrated reactors can be characterized by their properties. Unless otherwise stated, these properties are measured by using the test conditions described in the example section. The invention can be characterized arbitrarily by the properties individually or in any combination. The average volumetric heat flux is preferably at least 1 W/cm<3>, or, in other preferred embodiments, at least 5 or 10 or 20 or 50 or 100 or approx. 120 W/cm<3>, and in some embodiments between 10 and approx. 120 W/cm<3>. The devices can be characterized by the low NOx output measured by the standard NOx test measurement described in the example section. NOx output is preferably less than 100ppm, more preferably less than 50ppm, even more preferably less than 10ppm and even more preferably less than 5ppm, and in some embodiments the NOx output is in the range of about 5-20 ppm. The method according to the invention comprises combustion where preferably less than 100% excess air (or equivalent excess oxygen) is used, more preferably less than 75%, even more preferably less than 50%, even more preferably less than 25%, or 10% or 5 % surplus air. For the characterization of devices, excess air is measured under the conditions specified in the heat flux measurement test (when characterizing together with NOx output) measured under the conditions specified in the standard NOx test measurement. Pressure drop through the exothermic and/or endothermic reaction chambers is preferably less than the following (in order of preference, based on the length of the reaction chamber) 295,000, 250,000, 125,000, 50,000, 25,000, 12,500, 2500 or 1500 Pa/cm. For devices, the pressure drop is measured under the conditions specified in the heat flux measurement test (when characterizing together with the NOx output) measured under the conditions specified during the standard NOx test measurement.

Anordningene kan fremstilles av slike materialer som plast, metall, keramiske stoffer og kompositter, avhengig av de ønskete egenskaper. Vegger som skiller anordningen fra omgivelsen kan være varmeisolerende, men veggene opptil de eksoterme og endoterme reaksjonskamre bør være varmeledende. The devices can be made from such materials as plastic, metal, ceramic substances and composites, depending on the desired properties. Walls separating the device from the surroundings can be heat-insulating, but the walls up to the exothermic and endothermic reaction chambers should be heat-conducting.

Anordningene kan fremstilles ved å utforme kamrene inne i en enkelt blokk av materiale, ved sammenføyning av flere komponenter og ved stabling av bindende skiver. The devices can be manufactured by forming the chambers inside a single block of material, by joining several components and by stacking binding discs.

Et foretrukket integrert reaktorlegeme kan fremstilles av en enkelt blokk av metall. Dens kanaler vil kunne dannes ved hjelp av en EDM-streng i hovedlegemet, og tilhørende ledninger vil kunne fremstilles separat og sveises på, noe som øker utformingens fleksibilitet. A preferred integrated reactor body can be made from a single block of metal. Its channels will be able to be formed using an EDM string in the main body, and associated wiring will be able to be manufactured separately and welded on, increasing design flexibility.

EDM-streng anvendes for å danne spalter eller huller i en blokk av metall som er mikrokanaler hvorigjennom strømmen passerer og det foregår en enhetsoperasjon. Stanse-EDM, lasermaskinering og, i noen større kanaler, konvensjonell fresing, kan også anvendes for å fremstille kanaler av en enkelt blokk av metall. EDM string is used to form slits or holes in a block of metal which are microchannels through which current passes and a unit operation takes place. Punching EDM, laser machining and, in some larger ducts, conventional milling, can also be used to fabricate ducts from a single block of metal.

Skivene som er utstyrt med åpninger kan utformes ved prosesser som omfatter: konvensjonell maskinering, streng-EDM, laserkutting, fotokjemisk maskinering, elektrokjemisk maskinering, støping, vannstråle, pressing, etsing (for eksempel kjemisk, fotokjemisk og plasmaetsing) samt kombi-nasjoner av disse. For lav kostnad er pressing særlig ønskelig. Skivene kan sammenføyes ved diffusjonsbindings-metoder, så som en rammepresse eller et HIP-kammer. De kan også sammenføyes ved hjelp av binding med reaktivt metall eller andre metoder som danner en flateforsegling. Alternativt vil lasersveisemellomleggsplater kunne sammen-føye anordningene eller platene slik at det dannes for-seglinger mellom strømningsbaner. Anordninger vil alternativt kunne sammenføyes ved anvendelse av klebemidler. I foretrukne utførelsesformer lamineres anordningene i et enkelt trinn, i mindre foretrukne utførelsesformer bindes et første sett skiver sammen og bindes deretter til et andre (eller flere) sett av skiver. I noen foretrukne utførelsesformer bindes et sett skiver sammen i et eneste trinn, og deretter skjæres den resulterende, sammenbundne gjenstand opp i flere anordninger. The wafers provided with openings can be formed by processes including: conventional machining, string EDM, laser cutting, photochemical machining, electrochemical machining, casting, water jet, pressing, etching (for example, chemical, photochemical and plasma etching) as well as combinations thereof . For low cost, pressing is particularly desirable. The sheets can be joined by diffusion bonding methods, such as a frame press or a HIP chamber. They can also be joined using reactive metal bonding or other methods that form a surface seal. Alternatively, laser welding intermediate plates will be able to join the devices or plates so that seals are formed between flow paths. Devices will alternatively be able to be joined by using adhesives. In preferred embodiments, the devices are laminated in a single step, in less preferred embodiments, a first set of wafers is bonded together and then bonded to a second (or more) set of wafers. In some preferred embodiments, a set of wafers is bonded together in a single step, and then the resulting bonded article is cut into multiple devices.

Katalytiske prosesser ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter: asetylering, addisjonsreaksjoner, alkylering, dealkylering, hydrodealkylering, reduktiv alkylering, aminering, aromatisering, arylering, autotermisk reformering, karbonylering, dekarbonylering, reduktiv karbonylering, karboksylering, reduktiv karboksylering, reduktiv kobling, kondensasjon, kraking, hydrokrakking, cyklisering, cyklooligomerisering, dehalogenering, dimeri-sering, epoksidering, forrestring, utbytting, Fischer-Tropsch, halogenering, hydrohalogenering, homologering, hydratisering, dehydratisering, hydrogenering, dehydro-genering, hydrokarboksylering, hydroformylering, hydrogeno-lyse, hydrometallisering, hydrosilering, hydrolyse, vann-behandling (HDS/HDN), isomerisering, metylering, demetyler-ing, metatese, nitrering, oksidasjon, partiell oksidasjon, polymerisasjon, reduksjon, reformering, omvendt vanngassforskyvning, sulfonering, telomerisering, omestring, tri-merisering og vanngassforskyvning. Catalytic processes according to the present invention include: acetylation, addition reactions, alkylation, dealkylation, hydrodealkylation, reductive alkylation, amination, aromatization, arylation, autothermal reforming, carbonylation, decarbonylation, reductive carbonylation, carboxylation, reductive carboxylation, reductive coupling, condensation, cracking, hydrocracking , cyclization, cyclooligomerization, dehalogenation, dimerization, epoxidation, esterification, substitution, Fischer-Tropsch, halogenation, hydrohalogenation, homologation, hydration, dehydration, hydrogenation, dehydrogenation, hydrocarboxylation, hydroformylation, hydrogenolysis, hydrometallization, hydrosilation, hydrolysis , water treatment (HDS/HDN), isomerization, methylation, demethylation, metathesis, nitration, oxidation, partial oxidation, polymerization, reduction, reforming, reverse water gas shift, sulfonation, telomerization, transesterification, trimerization and water gas shift.

En annen fordel med den foreliggende oppfinnelse er at det kan oppnås gode utbytter (eller andre mål på god ytelse) med korte kontakttider. I foretrukne fremgangsmåter er kontakttiden mindre enn 100 millisekunder, mer foretrukket mindre enn 50ms og enda mer foretrukket mellom 1 og 25ms for gassfasereaksjoner. Væskefasereaksjoner vil kunne forventes å være minst tre størrelsesordener langsommere. Kontakttid kan senkes ved minskning av diffusjons-strekningen mellom massestrømmen og den porøse katalysator med samtidig minskning av kanallengde. Ved disse kontakttider omdannes i en foretrukket utførelsesform av hydrokarbondampreformering minst 70%, mer foretrukket minst 90%, av likevektsomdanning av hydrokarbonet som kommer inn i begynnelsen av nevnte minst ene reaksjonskammer til hydrogen, karbonmonoksid og/eller karbondioksid. Lignende forbedringer kan oppnås i andre prosesser. Another advantage of the present invention is that good yields (or other measures of good performance) can be achieved with short contact times. In preferred methods, the contact time is less than 100 milliseconds, more preferably less than 50ms and even more preferably between 1 and 25ms for gas phase reactions. Liquid phase reactions can be expected to be at least three orders of magnitude slower. Contact time can be lowered by reducing the diffusion distance between the mass flow and the porous catalyst with a simultaneous reduction in channel length. At these contact times, in a preferred embodiment of hydrocarbon steam reforming, at least 70%, more preferably at least 90%, of the equilibrium conversion of the hydrocarbon entering at the beginning of said at least one reaction chamber is converted to hydrogen, carbon monoxide and/or carbon dioxide. Similar improvements can be achieved in other processes.

Noen fremgangsmåtekarakteristika for noen foretrukne fremgangsmåter ifølge oppfinnelsen omfatter følgende: 1. Arbeider sikkert ved et brensel:oksygen-forhold nær støkiometrisk (mindre enn 100% overskuddsluft) for anvendelse ved forbrenning som den eksoterme reaksjon. Dette minsker luftbehovet, noe som bedrer den totale systemvarmeeffektivitet og minsker den eksterne luftviftes eller kompressors nødvendige funksjon. 2. Driver dampreformering ved korte kontakttider eller omvendt ved høye gassromhastigheter per time. Dette er nødvendig for å frembringe en kompakt anordning. 3. Arbeider ved en høy varmefluks. Dette er nødvendig for å arbeide ved korte kontakttider. 4. Arbeider ved et lavt trykkfall per enhetslengde av reaktor. Dette muliggjør en høyere produktivitet per volumenhet. 5. Eventuelt: avkjøler/inhiberer gassfasereaksjoner. Når kanaldimensjonen nærmer seg avkjølingsdiameteren ("quench diameter") eller faller under minskes bidraget av uønsket, homogen gassfaseforbrenningsreaksjon. Some process characteristics of some preferred processes according to the invention include the following: 1. Safely operates at a fuel:oxygen ratio close to stoichiometric (less than 100% excess air) for use in combustion as the exothermic reaction. This reduces the air requirement, which improves the overall system heating efficiency and reduces the necessary function of the external air fan or compressor. 2. Drives steam reforming at short contact times or vice versa at high gas space rates per hour. This is necessary to produce a compact device. 3. Works at a high heat flux. This is necessary for working with short contact times. 4. Works at a low pressure drop per unit length of reactor. This enables a higher productivity per volume unit. 5. Optionally: cools/inhibits gas phase reactions. When the channel dimension approaches the quench diameter ("quench diameter") or falls below, the contribution of undesired, homogeneous gas-phase combustion reaction is reduced.

I sine bredere aspekter vedrører oppfinnelsen ethvert par (eller flere, dvs. at forskjellige substanser kan drives gjennom forskjellige reaksjonskamre som inneholder forskjellige katalysatorer) av endoterme og eksoterme reaksjoner . In its broader aspects, the invention relates to any pair (or several, i.e. different substances can be driven through different reaction chambers containing different catalysts) of endothermic and exothermic reactions.

I dampreformering er gassromhastighet per time fortrinnsvis over 10.000, mer foretrukket over 50.000 og kan være i området fra ca. lOO.OOOh-1 til over 10<6>h_<1>, noe som tilsvarer en kontakttid av størrelsesorden fra 100 til 1 millisekund. Driftstrykk for metandampreformering kan være i området fra 1 atmosfære til 50 atmosfærer. Et område på fra 1 til 30 atmosfærer foretrekkes. Forhold mellom damp og karbon kan ligge i området fra 1 til 10. Et område på fra 1 til 3 foretrekkes. In steam reforming, gas space velocity per hour is preferably above 10,000, more preferably above 50,000 and can be in the range from approx. lOO.OOOh-1 to over 10<6>h_<1>, which corresponds to a contact time of the order of 100 to 1 millisecond. Operating pressure for methane steam reforming can be in the range from 1 atmosphere to 50 atmospheres. A range of from 1 to 30 atmospheres is preferred. The ratio between steam and carbon can be in the range from 1 to 10. A range of from 1 to 3 is preferred.

Forskjellige hydrokarboner kan reformeres for å fremstille hydrogen, deriblant metan, etan, propan, alkaner generelt, alkener, alkoholer, etere, ketoner og lignende, inklusivt blandinger, så som bensin, diesel, petroleum og andre. Various hydrocarbons can be reformed to produce hydrogen, including methane, ethane, propane, alkanes in general, alkenes, alcohols, ethers, ketones and the like, including mixtures such as gasoline, diesel, petroleum and others.

I tillegg kan oppfinnelsen benyttes til å intensifisere andre endoterme reaksjoner enn dampreformering. Som et eksempel vil den foreliggende oppfinnelse kunne benyttes til å intensifisere en dehydrogeneringsreaksjon ved tilførsel av varme via en integrert forbrenningsreaksjon. In addition, the invention can be used to intensify endothermic reactions other than steam reforming. As an example, the present invention can be used to intensify a dehydrogenation reaction by supplying heat via an integrated combustion reaction.

Eksempler Examples

Foretrukne katalysatorer for anvendelse i apparatet som beskrives i eksemplene ble fremstilt ved følgende fremgangsmåter: Katalysatoren i reformeringsanordningens kanaler inneholdt en katalysator av 13,8%-Rh/6%-MgO/aL203på en metallfilt av FeCrAlY-legering fra Technetics, Deland, Florida. Reformeringskatalysatoren ble fremstilt under anvendelse av en vaskebeleggingsteknikk basert på FeCrAlY-filt med ca. 0,25mm tykkelse og 90% porøsitet. Før vaskebelegging ble metallfilten forbehandlet ved hurtig oppvarming til 900°C i luft i to timer. For å øke vedheften mellom metallover-flaten og katalysatoren ble et tett og nålestikkfritt grensesjikt først belagt på den oksiderte FeCrAlY-filt ved metallorganisk, kjemisk dampavsetning (MOCVD). Dette grensesjikt kan være A1203, Al203+Si02 eller Ti02, etc. Når for eksempel Ti02ble belagt, ble titanisopropoksid (Strem Chemical, Newburyport, MA) dampavsatt ved en temperatur på fra 250 til 900°C ved et trykk på fra 0,1 til 100 torr. Titanoksidbelegg med utmerket vedheft til skummet ble oppnådd ved en avsetningstemperatur på 600°C og et reaktor-trykk på 3 torr. Dette lag ikke bare øker vedheften mellom metallfilten og katalysatoren, det beskytter også FeCrAlY fra korrosjon under dampreformeringsreaksjonen. 13,8vekt%Rh6vekt%MgO/Al203pulverformet katalysator ble fremstilt ved 1) kalsinering av et gamma-aluminiumoksid med stort overflateareal ved 500°C i 5 timer, 2) impregnering av gamma-aluminiumoksidet med MgO under anvendelse av den begynnende fuktighetsmetode med en vannig løsning av magnesiumnitrat under oppnåelse av en MgO-modifisert gamme- aluminiumoksidbærer, 3) tørking av den modifiserte bærer ved 110°C i 4 timer etterfulgt av 4) en andre kalsinering ved 900°C i 2 timer, 5) impregnering av den modifiserte bærer med Rh203ved den begynnende fuktighetsmetode fra en rhodiumnitratløsning, 6) etterfulgt av en sluttørking ved 110°C i 4 timer og 7) sluttkalsineringer ved 500°C i 3 timer for å oppnå et pulver av katalysatoren på bærer. Katalysatorbeleggsoppslemming ble fremstilt ved å blande den ovennevnte pulverformete katalysator med avionisert vann i forholdet 1:6. Blandingen ble malt i kulemølle i 24 timer for å oppnå en beleggsoppslemming som inneholdt katalysatorpartikler mindre enn lum. Den varmebehandlete og CVD-belagte filt ble vaskebelagt ved dypping av filten i katalysatoroppslemming. Vaskebeleggingsprosessen ble gjentatt for å oppnå den ønskede vektøkning. Mellom hver beleg-ging ble filten belagt med katalysator tørket i en ovn ved 100°C i 1 time. Beleggingsprosessen ble gjentatt for å oppnå den ønskede beleggstykkelse eller katalysator-belastning. Etter det avsluttende beleggingstrinn ble katalysatoren tørket natten over i en ovn ved 100°C og kalsinert ved langsom oppvarming i luft med en hastighet på 2°C/min til en temperatur i området fra 300 til 500°C. mengden katalysator som ble belagt ble målt til å være 0,1 gram katalysator per 6,5cm<2>filt. Før dampreformerings-testing ble den konstruerte katalysatorfilt underkastet en aktiveringsbehandling, fortrinnsvis reduksjon, ved 300-400°C. Preferred catalysts for use in the apparatus described in the examples were prepared by the following methods: The catalyst in the reformer channels contained a catalyst of 13.8%-Rh/6%-MgO/aL 2 O 3 on a metal felt of FeCrAlY alloy from Technetics, Deland, Florida. The reforming catalyst was prepared using a wash coating technique based on FeCrAlY felt with approx. 0.25mm thickness and 90% porosity. Before wash coating, the metal felt was pretreated by rapid heating to 900°C in air for two hours. To increase the adhesion between the metal upper surface and the catalyst, a dense and pinprick-free interface layer was first coated on the oxidized FeCrAlY felt by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). This interface layer can be Al 2 O 3 , Al 2 O 3 +SiO 2 , or TiO 2 , etc. For example, when TiO 2 was coated, titanium isopropoxide (Strem Chemical, Newburyport, MA) was vapor deposited at a temperature of from 250 to 900°C at a pressure of from 0.1 to 100 torr. Titanium oxide coatings with excellent adhesion to the foam were obtained at a deposition temperature of 600°C and a reactor pressure of 3 torr. This layer not only increases the adhesion between the metal felt and the catalyst, it also protects the FeCrAlY from corrosion during the steam reforming reaction. 13.8wt%Rh6wt%MgO/Al2O3 powdered catalyst was prepared by 1) calcination of a high surface area gamma alumina at 500°C for 5 h, 2) impregnation of the gamma alumina with MgO using the incipient wetting method with an aqueous solution of magnesium nitrate obtaining a MgO-modified gamma alumina support, 3) drying of the modified support at 110°C for 4 hours followed by 4) a second calcination at 900°C for 2 hours, 5) impregnation of the modified support with Rh 2 O 3 by the initial moisture method from a rhodium nitrate solution, 6) followed by a final drying at 110°C for 4 hours and 7) final calcinations at 500°C for 3 hours to obtain a powder of the supported catalyst. Catalyst coating slurry was prepared by mixing the above powdered catalyst with deionized water in a ratio of 1:6. The mixture was milled in a ball mill for 24 hours to obtain a coating slurry containing catalyst particles smaller than lum. The heat treated and CVD coated felt was wash coated by dipping the felt in catalyst slurry. The wash coating process was repeated to achieve the desired weight gain. Between each coating, the felt coated with catalyst was dried in an oven at 100°C for 1 hour. The coating process was repeated to achieve the desired coating thickness or catalyst loading. After the final coating step, the catalyst was dried overnight in an oven at 100°C and calcined by slow heating in air at a rate of 2°C/min to a temperature in the range of 300 to 500°C. the amount of catalyst coated was measured to be 0.1 gram of catalyst per 6.5cm<2>felt. Prior to steam reforming testing, the engineered catalyst felt was subjected to an activation treatment, preferably reduction, at 300-400°C.

Den integrerte forbrenningskatalysator kan være en vaskebelagt katalysator som anbringes direkte på de innvendige Inconel-vegger i ICR-anordningen. Inconel-flaten rengjøres først, med ultralyd om mulig, i heksan, salpetersyre (20%) og aceton (eller propanol). Fortrinnsvis får rense-løsningene renne over Inconel-flåtene. Et naturlig krom-oksidlag dannes deretter på Inconel-overflaten ved oppvarming i luft (strømning om mulig) med 3,5°C/min til 500°C og holdt på 500°C i 2 timer. Deretter økes temperaturen med 3,5°C/min til 950°C og holdes på 950°C i 2 timer. Deretter får Inconel kjølne til romtemperatur med en hastighet som ikke er hurtigere enn 5°C/min. Den aktive palladiumbestand-del påføres deretter på kromoksidlaget ved neddykking av det nødvendige avsetningsareal i en 10vekt%ig løsning av palladiumnitrat. Dette oppnås enten ved statisk neddykking eller ved pumping av fluidet inn i en anordning til et nødvendig væskenivå. Løsningen får deretter være i kontakt med avsetningsoverflaten i 2 minutter. Deretter fjernes løsningen fra kontakt med Inconel-overflaten, og mengden palladium som blir igjen beregnes ved hjelp av en differansemåling. Ved kanalbelegging strømmer nitrogen gjennom kanalen for å sikre at det ikke opptrer noen tilstopping. Deretter tørkes katalysatoren ved 100°C i 1 time, om mulig i vakuum. Deretter kalsineres katalysatoren ved oppvarming med 3,5°C/min til 800°C og holdes på 850°C i 1 time. Deretter tillates katalysatoren å kjølne til romtemperatur med en hastighet som ikke er større enn 5°C/min. The integrated combustion catalyst may be a wash-coated catalyst that is placed directly on the inner Inconel walls of the ICR device. The Inconel surface is first cleaned, with ultrasound if possible, in hexane, nitric acid (20%) and acetone (or propanol). Preferably, the cleaning solutions are allowed to flow over the Inconel rafts. A natural chromium oxide layer is then formed on the Inconel surface by heating in air (flow if possible) at 3.5°C/min to 500°C and held at 500°C for 2 hours. The temperature is then increased by 3.5°C/min to 950°C and held at 950°C for 2 hours. The Inconel is then allowed to cool to room temperature at a rate not faster than 5°C/min. The active palladium component is then applied to the chromium oxide layer by immersing the required deposition area in a 10% by weight solution of palladium nitrate. This is achieved either by static immersion or by pumping the fluid into a device to a required liquid level. The solution is then allowed to contact the deposit surface for 2 minutes. The solution is then removed from contact with the Inconel surface, and the amount of palladium that remains is calculated using a differential measurement. During channel coating, nitrogen flows through the channel to ensure that no clogging occurs. The catalyst is then dried at 100°C for 1 hour, if possible in a vacuum. The catalyst is then calcined by heating at 3.5°C/min to 800°C and held at 850°C for 1 hour. The catalyst is then allowed to cool to room temperature at a rate not greater than 5°C/min.

For noen eksempler ble en filtform av forbrenningskatalysatoren fremstilt og deretter innført i forbrenningsmikro-kanalen(e). For some examples, a felt form of the combustion catalyst was fabricated and then introduced into the combustion microchannel(s).

Konstruert forbrenningskatalysator ble også fremstilt basert på FeCrAlY-filten fra Technetics. Tilsvarende til fremstilingen av konstruerte dampreformeringskatalysatorer ble FeCrAlY-filtbæreren først brent ved 900°C i luft i 2 timer i en muffelovn (stigningshastighet = 200°C/min). Etter brenningsprosessen ble filten avkjølt til romtemperatur. Den ble deretter dyppebelagt i en kolloidal Al203-løsning (PQ corporation) som inneholdt gamma-Al203-partikler av um-størrelse. Dette trinn ble utført ved å dykke filten ned i løsningen og deretter fjerne overskudds-løsning på filten på et absorberende ark etterfulgt av tørking i vakuum ved 110°C over natten. Prøven ble opp-varmet til 500°C i et tidsrom på 3 timer før tilsetningen av Pd. Pd ble deretter tilsatt ved å gjennombløte bæreren som nå inneholdt et Al203-lag i en 20vekt%ig Pd (Nett-løsning (Engelhard). Ved fjerning av overskudd av Pd(N03)2- løsning ble prøven tørket i vakuum ved 110°C i minst 4 timer. Sluttkalsinering ble utført ved oppvarming med 2°C/min til 350°C og holding isoternt på denne temperatur i 3 timer. Den fremstilte Pd/Al203-katalysator har en nominell belastning av 47vekt% Pd over AI2O3og 0,126 gram katalysator/g FeCrAlY. Engineered combustion catalyst was also produced based on the FeCrAlY felt from Technetics. Similar to the preparation of engineered steam reforming catalysts, the FeCrAlY felt support was first fired at 900°C in air for 2 h in a muffle furnace (rate of rise = 200°C/min). After the burning process, the felt was cooled to room temperature. It was then dip coated in a colloidal Al 2 O 3 solution (PQ corporation) containing gamma Al 2 O 3 particles of um size. This step was performed by immersing the felt in the solution and then removing excess solution on the felt on an absorbent sheet followed by drying in vacuum at 110°C overnight. The sample was heated to 500°C for a period of 3 hours before the addition of Pd. Pd was then added by soaking the support, which now contained an Al2O3 layer, in a 20% by weight Pd (Nett solution (Engelhard). When removing excess Pd(N03)2 solution, the sample was dried in vacuum at 110°C for at least 4 hours. Final calcination was performed by heating at 2°C/min to 350°C and holding isoternally at this temperature for 3 hours. The prepared Pd/Al2O3 catalyst has a nominal loading of 47 wt% Pd over Al2O3 and 0.126 grams of catalyst /g FeCrAlY.

Eksempel 1 Example 1

Integrert forbrenningsreaktor (ICR). Integrated Combustion Reactor (ICR).

Denne integrerte, katalytiske forbrenningsreaktor besto av This integrated catalytic combustion reactor consisted of

en enkelt metan-dampreformeringskanal som delte en vegg med en enkelt katalytisk forbrenningskanal. Varme ble transportert gjennom denne felles vegg fra den varme (forbrennings) side til den kalde (reformeringsreaksjon) side for å drive den endoterme reaksjon. En utforming (versjon 1) av den integrerte forbrenningsreaktor hadde ikke noe forgrenings-og samlekammer for forbrenningsstrømmen, men innførte istedenfor de ublandete forbrenningsgasser direkte på katalysatoren. Dette ble gjort for å sikre at homogen forbrenning ikke foregikk oppstrøms for katalysatoren (dvs. i forgreningskammeret). En andre utforming av den integrerte forbrenningsreaktor (versjon 2) ble fremstilt som omfattet 6,4mm x 10,2mm kamre på forbrenningssiden, som var like de på reformeringsanordningssiden (se fig. 8). Dette ble gjort for å minske sannsynligheten for kanaldannelse på forbrenningskammersiden og fordele strømmen jevnere (og derved reaksjonsvarmen) over hele reaktorens bredde og derved forlenge katalysatorens levetid og øke omdanning i reformeringsanordningen. Den integrerte forbrenningsreaktors totale dimensjoner var 5,8mm x 12,7mm x 43,2mm, og hver katalysators dimensjon var 2,5mm x 12,7mm x 25,4mm. For formålene med varmefluksberegninger for bare dette eksempel ble lOmm katalysatorbredde inkludert når det gjenværende katalysatorvolum ble tettet igjen for reaktant-strøm. Kanalkatalysatorene i både reformeringsanordningen og forbrenningskammeret arbeidet med strømning av reaktanter gjennom katalysatoren (og derfor meget høyt trykk- a single methane steam reforming channel that shared a wall with a single catalytic combustion channel. Heat was transported through this common wall from the hot (combustion) side to the cold (reforming reaction) side to drive the endothermic reaction. One design (version 1) of the integrated combustion reactor had no branching and collecting chamber for the combustion flow, but instead introduced the unmixed combustion gases directly onto the catalyst. This was done to ensure that homogeneous combustion did not occur upstream of the catalyst (ie in the manifold). A second design of the integrated combustor (version 2) was produced which included 6.4mm x 10.2mm chambers on the combustor side, which were similar to those on the reformer side (see Fig. 8). This was done to reduce the probability of channel formation on the combustion chamber side and distribute the flow more evenly (and thereby the heat of reaction) over the entire width of the reactor and thereby extend the life of the catalyst and increase conversion in the reformer. The integrated combustion reactor's overall dimensions were 5.8mm x 12.7mm x 43.2mm, and each catalyst's dimensions were 2.5mm x 12.7mm x 25.4mm. For the purposes of heat flux calculations for this example only, 10 mm catalyst width was included when the remaining catalyst volume was sealed to reactant flow. The channel catalysts in both the reformer and the combustion chamber worked with flow of reactants through the catalyst (and therefore very high pressure

fall), som ikke hadde noen forbistrømningsspalte etter montering. Forsøksbetingelsene som ble benyttet er vist i tabell 1. Forbrenningsbrensel og luft ble ikke forvarmet, og SMR-reaktanter ble forvarmet til ca. 600-650°C. Selv om utløpstrykk ikke er angitt er de nær omgivelsestrykk (ca 1 bar absolutt). fall), which had no bypass gap after assembly. The test conditions that were used are shown in table 1. Combustion fuel and air were not preheated, and SMR reactants were preheated to approx. 600-650°C. Although outlet pressures are not indicated, they are close to ambient pressure (approx. 1 bar absolute).

De integrerte forbrenningsreaktorer (versjon 1 og versjon 2) ble fremstilt av en 0,25mm varmetransportskiver som ble sveiset langs omkretsen mellom to 2,9mm x 17,8mm x 43,2mm plater. Den ene plate holdt forbrenningskatalysatoren an mot varmetransportskiven mens den annen plate holdt SMR-katalysatoren an mot den motstående side av skiven. Hver plate gav adgang for reaktanter (forbrenning eller SMR) til et hulrom (maskinert i innerflaten) gjennom et inconelrør med utvendig diameter på 3,2mm og innvendig diameter på l,8mm i den ene ende og tømte produkter gjennom et tilsvarende rør i den annen. Med unntagelse av forbrennings-platen i versjon 1 var en strømningsbane med lengde 6,4mm mellom katalysatoren og innløps- eller utløpsrøret inkludert for at samleområdene i forkant og bakkant skulle med-virke til å fordele strømningen over tverrsnittet. Hver katalysator ble holdt i intim varmekontakt med varmetransportskiven ved hjelp av l,3mm x 25,4mm skinner som var maskinert på side av strømningsbanen. Brensel ble innført i anordningen gjennom et l,6mm rør (l,lmm innvendig diameter) som var festet på en konsentrisk måte inne i luftinnløps-røret, slik at luft og brensel ikke ble tillatt å blande seg med hverandre inntil enden av l,6mm røret (ca. l-2mm fra varmetransportskiven). The integrated combustion reactors (version 1 and version 2) were fabricated from a 0.25mm heat transfer disc which was welded along the circumference between two 2.9mm x 17.8mm x 43.2mm plates. One plate held the combustion catalyst against the heat transport disc while the other plate held the SMR catalyst against the opposite side of the disc. Each plate provided access for reactants (combustion or SMR) to a cavity (machined into the inner surface) through an inconel tube with an outer diameter of 3.2mm and an inner diameter of 1.8mm at one end and discharged products through a corresponding tube at the other . With the exception of the combustion plate in version 1, a flow path with a length of 6.4 mm between the catalyst and the inlet or outlet pipe was included so that the collection areas at the leading edge and trailing edge would contribute to distributing the flow over the cross-section. Each catalyst was held in intimate thermal contact with the heat transfer disk by means of 1.3 mm x 25.4 mm rails machined to the side of the flow path. Fuel was introduced into the device through a 1.6mm tube (1.1mm internal diameter) which was fixed concentrically inside the air inlet tube, so that air and fuel were not allowed to mix with each other until the end of the 1.6mm the tube (approx. 1-2mm from the heat transfer disc).

Varmetransportarealet mellom de to katalysatorer var 10,2mm x 25,4mm. Reaktorkjernevolumet (som ble benyttet for å beregne gjennomsnittlig volumetrisk varmefluks) ble antatt å være varmearealet ganger summen av varmetransportskive-tykkelse (0,25mm), SMR-kanaltykkelse (0,25mm) og forbrenn-ingskanaltykkelse (0,25mm). The heat transport area between the two catalysts was 10.2mm x 25.4mm. The reactor core volume (which was used to calculate the average volumetric heat flux) was assumed to be the heating area times the sum of heat transport disc thickness (0.25mm), SMR channel thickness (0.25mm) and combustion channel thickness (0.25mm).

Etter to varmesykluser og seks timers drift i en anvendelse av den første utforming ble strømningsformen forandret fra felles strøm til motstrøm i et forsøk på å bedre varmetransporten til dampreformeringsanordningen ytterligere. Bare hydrogen/luftblandinger ble anvendt i driften av den første utforming for å eliminere muligheten for koksdannelse i forbrenningskammeret. After two heating cycles and six hours of operation in an application of the first design, the flow pattern was changed from cocurrent to countercurrent in an attempt to further improve heat transport to the steam reformer. Only hydrogen/air mixtures were used in the operation of the first design to eliminate the possibility of coking in the combustion chamber.

Versjon 2 ble testet kontinuerlig (i en felles strømform) med forbrenning av en hydrogen/luftblanding og i fire timer med forbrenning av en metan/luftblanding. Under drift av den integrerte forbrenningsreaktor av versjon 2 fikk brenselekvivalensforholdet ikke overskride 0,7, hvorved det ble opprettholdt maksimale, adiabatiske flammetemperaturer for H.2/luftblandinger på 1740°C (i motsetning til ca. 2110°C ved støkiometrisk) og 1565°C for CH4/luftblandinger. Version 2 was tested continuously (in a common current form) burning a hydrogen/air mixture and for four hours burning a methane/air mixture. During operation of the version 2 integrated combustion reactor, the fuel equivalence ratio was not allowed to exceed 0.7, thereby maintaining maximum adiabatic flame temperatures for H.2/air mixtures of 1740°C (as opposed to about 2110°C at stoichiometric) and 1565° C for CH4/air mixtures.

CR = forbrenningsreaksjon CR = combustion reaction

SR = dampreformering av metan SR = steam reforming of methane

Resultater Results

Versjon 1 Version 1

En hydrogenomdanning på 99,9% ble oppnådd i den integrerte forbrenningsreaktor med 5% overskuddsluft (brenselekvivalensforhold på 0,95), noe som gav en høyeste forbrennings-kammerutløpstemperatur på 1050°C eller lavere. Derimot ville et eksternt hydrogenforbrenningskammer kreve 186% overskuddsluft (brenselekvivalensforhold på 0,35) for å holde den adiabatiske forbrenningsprodukttemperatur på 1050°C eller lavere. Et typisk trykkfall gjennom forbrenningskanalen var ca. 275,8 KPa ved l,75ms kontakttid. Trykkfall i mikroreaktoren med integrert forbrenningskammer var mye høyere på forbrenningssiden som følge primært av mye høyere strømningshastigheter (mye kortere kontakttider) og sekundært på grunn av måten luften ble tilført på A hydrogen conversion of 99.9% was achieved in the integrated combustion reactor with 5% excess air (fuel equivalence ratio of 0.95), giving a peak combustion chamber outlet temperature of 1050°C or lower. In contrast, an external hydrogen combustor would require 186% excess air (fuel equivalence ratio of 0.35) to maintain the adiabatic combustion product temperature at 1050°C or lower. A typical pressure drop through the combustion channel was approx. 275.8 KPa at 1.75ms contact time. Pressure drop in the integrated combustor microreactor was much higher on the combustion side due primarily to much higher flow rates (much shorter contact times) and secondarily due to the way the air was supplied

(gjennom et meget trangt ringrom). (through a very narrow annulus).

ICR-dampreformeringsanordningen (ved et forhold mellom damp og karbon på ca. 3) var i stand til å trekke ut varme fra det integrerte forbrenningskammer i utformingen med felles strømning, opprettholde dampreformeringstemperaturer på 780-800°C og så høye metanomdanninger som 75% ved kontakttider i reformeringsanordningen på 20-60ms (se fig. 9-10, kontakttider beregnet basert på totalt kanalvolum inklusivt katalysator og den totale gasstrømningshastighet ved standard temperatur-trykk). The ICR steam reformer (at a steam to carbon ratio of about 3) was able to extract heat from the integrated combustor in the co-flow design, maintain steam reforming temperatures of 780-800°C and methane conversions as high as 75% at contact times in the reformer of 20-60ms (see fig. 9-10, contact times calculated based on total channel volume including catalyst and the total gas flow rate at standard temperature-pressure).

Det ble funnet at i denne anordning, for totale kanalkon-takttider i forbrenningskammeret på mindre enn 3,5ms (5% overskuddsluft) viste hydrogenforbrenningssonen seg å rage forbi utløpet av det katalytiske forbrenningsområdet. En avtagende forbrenningskammerutløpsgasstemperatur og en økende gasstemperatur umiddelbart nedstrøms for utløpet med økende forbrenningskammerstrømningshastighet ble vist i dette. Høye brenselstrømningshastigheter i forbrenningskammeret (dvs. mindre enn 5ms kontakttider) var nødvendige for å oppnå temperaturer i reformeringsanordningen på 750°C og høyere. Dette skyldes sannsynligvis kanalisering av forbrenningsstrømmen ned de midtre 30% av forbrenningskatalysatoren. Dersom kanalisering og katalysatordeaktivering kunne blitt eliminert menes det at hydrogen/luftkon-takttider på under l,2ms kunne blitt oppnådd. Selv om ut-løpstemperaturer fra forbrenningskammeret var langt under adiabatiske flammetemperaturer, viste undersøkelse av forbrenningskatalysatoren tegn på edelmetallsintring eller fordampning og gjenavsetning. Dette antyder at det forelå et område med uakseptabelt høy temperatur i forbrenningskammeret (over 1200°C). It was found that in this device, for total channel contact times in the combustion chamber of less than 3.5ms (5% excess air) the hydrogen combustion zone appeared to extend beyond the outlet of the catalytic combustion region. A decreasing combustor outlet gas temperature and an increasing gas temperature immediately downstream of the outlet with increasing combustor flow rate were shown therein. High fuel flow rates in the combustor (ie, less than 5ms contact times) were necessary to achieve reformer temperatures of 750°C and higher. This is probably due to the channeling of the combustion flow down the middle 30% of the combustion catalyst. If channeling and catalyst deactivation could have been eliminated, it is believed that hydrogen/air contact times of less than 1.2ms could have been achieved. Although exit temperatures from the combustion chamber were well below adiabatic flame temperatures, examination of the combustion catalyst showed evidence of precious metal sintering or vaporization and redeposition. This suggests that there was an area of unacceptably high temperature in the combustion chamber (above 1200°C).

Versjon 2 av forbrenningskammer ( CR) Version 2 of combustion chamber (CR)

Inkluderingen av et forgreningskammer i forbrenningskammeret av versjon 2 av den integrerte forbrenningsreaktor bedret effektiviteten av drift av både forbrenningskammeret og reformeringsanordningen sterkt. Resultater av forbren-ningskammertester for versjon 2 av den integrerte forbrenningsreaktor er vist i tabell 2. Det høyeste trykkfall tvers over forbrenningskammersiden av versjon 2 av den integrerte forbrenningsreaktor var 5,4 bar (78 psid) for ClU/luft ved 2,8ms total kanalkontakttid. The inclusion of a manifold in the combustor of version 2 of the integrated combustor greatly improved the efficiency of operation of both the combustor and the reformer. Combustion chamber test results for version 2 of the integrated combustion reactor are shown in Table 2. The highest pressure drop across the combustion chamber side of version 2 of the integrated combustion reactor was 5.4 bar (78 psid) for ClU/air at 2.8ms total channel contact time .

Under drift av versjon 2 av anordningen ble det iakttatt to forbrenningskammerdriftsregimer. I det første regime var den høyeste temperatur som ble iakttatt på dampreformer-ingssiden i forgreningskammeret, direkte overfor forbrenn-ingskammerinnløpet (typisk over 100°C over den høyeste hoveddelstemperatur). Dette er et sterkt tegn på at i dette regime foreligger det en homogen forbrenningssone i for-brenningskammerets forgreningskammer. I det andre for-brenningsregime er den høyeste temperatur i reformeringsanordningen hoveddelstemperaturen (i termoelementet vel i midten av sideplaten, senket l,78mm dypt inn i plateveggen) heller enn i forgreningskammeret. I tillegg synker i det andre regime temperaturen i forbrenningskammerinnløpet under selvantennelsestemperaturen for brensel/luft-blandingen. Dette er et tegn på at regime 2 ikke involverer forbrenning i forgreningskammeret. Med andre ord vil i regime 2 en flamme ikke knytte seg til på stabil måte til brenselinnløpsrøret i forgreningskammeret. I tabell 2 beskrives betingelsene som hvert regime ble iakttatt under ved drift av versjon 2. Overgangen mellom regime l/regime 2 (identifisert ved en plutselig, diskontinuerlig forandring i reformeringsanordningens forgreningskammertemperatur) ble iakttatt to ganger under testing, hver gang ca. 3 til 4 minutter etter at det ble gjort en forandring av prosess-betingelsene. During operation of version 2 of the device, two combustion chamber operating regimes were observed. In the first regime, the highest temperature observed was on the steam reforming side of the manifold, directly opposite the combustion chamber inlet (typically over 100°C above the highest bulk temperature). This is a strong sign that in this regime there is a homogeneous combustion zone in the branching chamber of the combustion chamber. In the second combustion regime, the highest temperature in the reformer is the main part temperature (in the thermocouple well in the middle of the side plate, sunk 1.78mm deep into the plate wall) rather than in the branching chamber. In addition, in the second regime the temperature in the combustion chamber inlet drops below the self-ignition temperature for the fuel/air mixture. This is a sign that regime 2 does not involve combustion in the manifold. In other words, in regime 2, a flame will not attach stably to the fuel inlet pipe in the manifold. Table 2 describes the conditions under which each regime was observed when operating version 2. The transition between regime 1/regime 2 (identified by a sudden, discontinuous change in the reformer's branching chamber temperature) was observed twice during testing, each time approx. 3 to 4 minutes after a change was made to the process conditions.

I denne anordning arbeider under betingelsene som er vist i tabell 2 hydrogenforbrenning bare i regime 1, sannsynligvis på grunn av uvanlig høy flammehastighet av hydrogen/luft-blandinger (en størrelsesorden høyere enn metan/luftblan-dinger) . På den annen side ble metanforbrenning iakttatt i begge regimer, hvor overgangen opptrådte ett eller annet sted mellom ca. 600 og lOOOscm<3>total reaktantstrømning. Begge forbrenningsbrensler/regimer ga lignende resultater In this device, under the conditions shown in Table 2, hydrogen combustion works only in regime 1, probably due to the unusually high flame speed of hydrogen/air mixtures (an order of magnitude higher than methane/air mixtures). On the other hand, methane combustion was observed in both regimes, where the transition occurred somewhere between approx. 600 and lOOOscm<3>total reactant flow. Both combustion fuels/regimes produced similar results

(uttrykt ved dampreformeringsanordningsytelse) ved iden-tiske, totale strømmer og brenselekvivalensforhold, selv om reformeringsanordningstemperaturer var mye jevnere (henover strømningsbane 2) for regime 2. Ingen minskning i for-brenningskammerbrenselomdanning ble iakttatt i løpet av 7 timers drift. (expressed in steam reformer performance) at identical total flows and fuel equivalence ratios, although reformer temperatures were much more uniform (across flow path 2) for regime 2. No reduction in combustor fuel formation was observed during 7 hours of operation.

Versjon 2, dampreformeringsanordning ( SR) Version 2, steam reformer (SR)

På grunn av evnen til forbrenningskammer av versjon 2 til å funksjonere effektivere og jevnere, var dampreformeringsanordningen i stand til å oppnå mye høyere omdanninger enn reformeringsanordningen av versjon 1. Resultatene for den integrerte forbrenningsreaktor av versjon 2 er vist i fig. Due to the ability of the Version 2 combustor to function more efficiently and smoothly, the steam reformer was able to achieve much higher conversions than the Version 1 reformer. The results for the Version 2 integrated combustion reactor are shown in Fig.

11-12. Som ventet øker omdanning med økende temperatur (se fig. 11), men temperaturen inne i reformeringsanordningen er vanskelig å finne ut i en slik liten anordning idet temperaturene i samleledninger og i hoveddel sannsynligvis er mye lavere enn innegasstemperaturen. Omdanning av metan i dampreformeringsanordningen avtok med avtagende kontakttid mellom 40 og 20ms (se fig. 12), selv om forandringen er overdrevet idet temperaturen også falt med økende gjennom-strømning (med minst 25°C). Selektivitet overfor CO øker vesentlig med økende temperatur (fig. 11), men ikke med økende kontakttid (fig. 12). De høyeste dampreformerings-omdanninger var ved den høyeste betingelse (65,4 Wtermiskmetan forbrent i 43% overskuddsluft), hvor det ble oppnådd 98,6% metanomdanning og 66% selektivitet overfor CO ved et matetrykk på ca. 3 40 KPa (48 psig), damp:karbon på 3:1 og kontakttid (i dampreformeringsanordning) på 38,Oms. Etter 1,5 times drift ved den høyeste forbrenningskammer-temperatur falt omdanning til 98%, ett tegn på svakt deaktivering. Den laveste metanomdanning ved dampreformering var 93,6% ved en kontakttid i dampreformeringsanordningen på 19,Oms. Dampreformeringsanordningen var på linje i totalt 6,5 timer. Karbonbalansen sluttet innenfor +- 4% for alle unntagelser bortsett fra en. 11-12. As expected, conversion increases with increasing temperature (see fig. 11), but the temperature inside the reformer is difficult to find out in such a small device, as the temperatures in headers and in the main part are probably much lower than the inlet gas temperature. Conversion of methane in the steam reformer decreased with decreasing contact time between 40 and 20ms (see fig. 12), although the change is exaggerated as the temperature also fell with increasing flow (by at least 25°C). Selectivity towards CO increases significantly with increasing temperature (fig. 11), but not with increasing contact time (fig. 12). The highest steam reforming conversions were at the highest condition (65.4 W thermal methane burned in 43% excess air), where 98.6% methane conversion and 66% selectivity to CO were achieved at a feed pressure of approx. 3 40 KPa (48 psig), steam:carbon of 3:1 and contact time (in steam reformer) of 38.Oms. After 1.5 hours of operation at the highest combustor temperature, conversion dropped to 98%, a sign of weak deactivation. The lowest methane conversion by steam reforming was 93.6% at a contact time in the steam reforming device of 19.00 rpm. The steam reformer was on-line for a total of 6.5 hours. The carbon balance ended within +- 4% for all exceptions except one.

KONKLUSJONER CONCLUSIONS

Følgende funn er vesentlige i eksempel 1: The following findings are significant in example 1:

1. Integrert hydrogen/luftforbrenning (utforming med forbistrømning) ser meget lovende ut for godt blandete, jevnt fordelte strømmer, lite overskuddsluft og totale kontakttider så lave som 3,5ms dersom en samleledning er inkludert i utformingen. 100% H2-omdanning ble oppnådd under disse betingelser for forbrenningskammeret (CR). Integrert metan/luftforbrenning (utforming med forbi-strømning) ser ekstremt lovende ut for godt blandete, jevnt fordelte CR-strømmer med lite overskuddsluft og totale kontakttider så lave som 2,7ms dersom en samleledning er inkludert i utformingen. En utrolig CH4-omdanning på 99,6% med 100% selektivitet for CO2ble oppnådd under disse forbrenningskammerbetingelser uten luftforvarming. Slik ytelse ville ha gjort det nødvendig med minst fem ganger lengre kontakttid (og ca. 400°C luftforvarming) for metanforbrenning i et eksternt katalytisk forbrenningskammer. 2. En integrert katalytisk forbrenningskanal kan frembringe den varme som er nødvendig for å underholde en endoterm, katalytisk dampreformeringsreaksjon i en tilgrensende kanal av samme størrelse under de "verst tenkelige" betingelser for varmetap som foreligger i ICR-anordningen av versjon 2. Metanomdanninger ved dampreformering så høye som 98,6% med 66% selektivitet overfor CO ble iakttatt. 3. Utilstrekkelig fordeling av forbrenningsreaktantene tvers over forbrenningskatalysatorens tverrsnitt (dvs. kanaldannelse) resulterer i sterkt nedsatte omdanninger i både forbrenningskammeret og i reformeringsanordningen. 4. Utformingen av disse ICR-anordninger (versjonene 1 og 2) forårsaket et uventet stort trykkfall i både reformeringsanordningen (ca. 3,3 bar eller 48 psid) og i forbrenningskammeret (ca. 5,4 bar eller 78 psid) ved drift ved temperatur på ca. 850-900°C ved en SR-kontakttid på 4 Oms . 1. Integrated hydrogen/air combustion (bypass design) looks very promising for well-mixed, evenly distributed flows, little excess air and total contact times as low as 3.5ms if a header is included in the design. 100% H2 conversion was achieved under these combustion chamber (CR) conditions. Integrated methane/air combustion (by-flow design) looks extremely promising for well-mixed, evenly distributed CR streams with little excess air and total contact times as low as 2.7ms if a header is included in the design. An incredible CH4 conversion of 99.6% with 100% selectivity for CO2 was achieved under these combustion chamber conditions without air preheating. Such performance would have required at least five times longer contact time (and about 400°C air preheating) for methane combustion in an external catalytic combustion chamber. 2. An integrated catalytic combustion channel can generate the heat necessary to sustain an endothermic catalytic steam reforming reaction in an adjacent channel of the same size under the "worst case" heat loss conditions present in the Version 2 ICR device. Steam reforming methane conversions as high as 98.6% with 66% selectivity to CO was observed. 3. Inadequate distribution of the combustion reactants across the cross-section of the combustion catalyst (ie channel formation) results in greatly reduced conversions in both the combustion chamber and in the reformer. 4. The design of these ICR devices (versions 1 and 2) caused an unexpectedly large pressure drop in both the reformer (about 3.3 bar or 48 psid) and in the combustor (about 5.4 bar or 78 psid) when operating at temperature of approx. 850-900°C at an SR contact time of 4 Oms.

Eksempel 2 Example 2

I dette eksempel beskrives utformingen, fremstillingen og testresultatene fra en høyeffektiv, liten mikrokanalreaktor med høy gjennomstrømning, hvor varmeproduserende (eksoterme) og varmeforbrukende (endoterme) reaksjonskanaler er umiddelbart i tilgrensning til hverandre (integrerte). Forbrenning av hydrogen i luft ble benyttet som den eksoterme reaksjon, mens dampreformering av metan ved et forhold mellom damp og karbon på 3:1 ble benyttet som den endoterme reaksjon. En ny utforming av integrert for brenningsreaktor (forbistrømning) ble anvendt, som muliggjorde mye høyere gjennomstrømning ved minimalt (dvs. mindre enn ca. 0,8kg/cm<2>) trykkfall ved å la hver reaktant-strøm strømme i en smal spalte (0,125mm) opptil den porøse, konstruerte katalysator. Den nye utforming omfattet en sentral forbrenningssone (av to mikrokanaler) flankert av en reformeringsanordningskanal på hver side. This example describes the design, manufacture and test results from a highly efficient, small microchannel reactor with high throughput, where heat-producing (exothermic) and heat-consuming (endothermic) reaction channels are immediately adjacent to each other (integrated). Combustion of hydrogen in air was used as the exothermic reaction, while steam reforming of methane at a ratio between steam and carbon of 3:1 was used as the endothermic reaction. A new combustion reactor integral design (bypass flow) was used, which enabled much higher throughput at minimal (ie less than about 0.8kg/cm<2>) pressure drop by allowing each reactant stream to flow in a narrow slot ( 0.125mm) up to the porous engineered catalyst. The new design included a central combustion zone (of two microchannels) flanked by a reformer channel on either side.

I den integrerte forbrenningsreaktor (se fig. 13) ble det anvendt et forkortet forbrenningskatalysatorsjikt (ca. 0,5cm) for å muliggjøre en kombinasjon av katalytisk og homogen hydrogenforbrenning. Hydrogen ble bare fordelt tvers over kanalbredden og ikke henover lengden av katalysators jiktet . Hele hydrogenbrenselstrømmen ble matet inn i forbrenningskanalen gjennom åtte ca. 0,02cm huller 0,08cm oppstrøms for katalysatorsjiktet. In the integrated combustion reactor (see Fig. 13) a shortened combustion catalyst layer (approx. 0.5 cm) was used to enable a combination of catalytic and homogeneous hydrogen combustion. Hydrogen was only distributed across the channel width and not across the length of the catalyst's nozzle. The entire hydrogen fuel flow was fed into the combustion channel through eight approx. 0.02cm holes 0.08cm upstream of the catalyst bed.

Dimensjonene til katalysatorene i dampreformeringsanordningen var 0,25mm x l,24cm x 2,54cm, og forbrennings-katalysatorene var 0,25mm x l,27cm x 0,51cm, selv om bare l,02cm av bredden var blottlagt for reaktantstrøm, idet 0,12cm på kant ble anvendt for å holde katalysatoren på plass på hver side. For formålene varmefluksberegninger i dette eksempel ble bare ca. l,0cm katalysatorbredde inkludert, idet det øvrige katalysatorvolum stengt for reaktant-strøm. En tykkelse på 0,30mm ble tillatt for hver katalysator med forbistrømningskanaltykkelser på ca. 0,13mm og ca. 0,43mm i kanalene i dampreformeringsanordningen og forbrenningsreaktoren. Den integrerte forbrenningsreaktor ble drevet med felles strømning. Forsøksoppstillingen som ble benyttet for testing var den same som den som ble benyttet i eksempel 1. Den integrerte forbrenningsreaktor ble testet ned både en støkiometrisk mengde hydrogen i luft og med 40% overskuddsluft i forbrenningsreaktorkanalene mens metandampreformeringsreaksjon ble utført i dampreformerings-anordningens kanaler. The dimensions of the catalysts in the steam reformer were 0.25mm x 1.24cm x 2.54cm, and the combustion catalysts were 0.25mm x 1.27cm x 0.51cm, although only 1.02cm of the width was exposed to reactant flow, being 0.12cm on edge was used to hold the catalyst in place on each side. For the purposes of heat flux calculations in this example, only approx. 1.0 cm catalyst width included, with the rest of the catalyst volume closed for reactant flow. A thickness of 0.30mm was allowed for each catalyst with bypass channel thicknesses of approx. 0.13mm and approx. 0.43mm in the channels in the steam reformer and the combustion reactor. The integrated combustion reactor was operated with common flow. The experimental setup used for testing was the same as that used in example 1. The integrated combustion reactor was tested down both a stoichiometric amount of hydrogen in air and with 40% excess air in the combustion reactor channels while methane steam reforming reaction was carried out in the channels of the steam reforming device.

Hoveddeltemperaturer ble målt inne i ca. 0,16cm dype varmebrønner i 3 posisjoner henover lengden av den integrerte forbrenningsreaktors lengde på baksiden av hver reformeringsanordningskanal i posisjoner som tilsvarte toppen, midten og bunnen av katalysatorsjiktet i damp-ref ormeringsanordningen . Forbrenningskammeret ble testet for en rekke kontakttider og luftekvivalensforhold under anvendelse av hydrogen i luft levert ved hjelp av Brooks massestrømregulatorer (MFC). Reformeringsanordningen ble testet over et bredt område av reformeringsanordnings-kontakttider ved en gjennomsnittlig temperatur på ca. 750-800°C. Metan ble levert av en Brooks massestrømnings-regulator, og vann ble levert ved hjelp av en HPLC eller en sprøytepumpe. Adgangssammensetninger ble bestemt både for porsjoner fra forbrenningskammeret og fra reformeringsanordningen under anvendelse av en MTI gasskromatograf. Alle tester ble utført ved omgivelsestrykk under anvendelse av et 3:1 molart forhold mellom damp og karbon. Main part temperatures were measured inside approx. 0.16 cm deep heat wells at 3 positions across the length of the integrated combustor at the rear of each reformer channel at positions corresponding to the top, middle, and bottom of the catalyst bed in the steam reformer. The combustor was tested for a range of contact times and air equivalence ratios using hydrogen in air supplied by Brooks mass flow controllers (MFCs). The reformer was tested over a wide range of reformer contact times at an average temperature of approx. 750-800°C. Methane was supplied by a Brooks mass flow controller, and water was supplied by an HPLC or a syringe pump. Feed compositions were determined both for portions from the combustor and from the reformer using an MTI gas chromatograph. All tests were performed at ambient pressure using a 3:1 molar ratio of steam to carbon.

En oppsummering av resultatene for testene som ble utført er vist i tabell 3. Testene viser et stort fall (36-80°C) i temperaturer i dampreformeringsanordningen i reaktorens lengde, noe som antyder at hoveddelen av forbrenningen foregår ved innløpet til forbrenningskammeret (i kataly-satorsonen). Det er nevneverdig at det ideelle området for tilførsel av varme til reformeringsreaksjonen er ved katalysatorinnløpet hvor SMR-reaktantkonsentrasjons-gradienten (og derfor reaksjonshastigheten) er høyest. Utformingen med felles strømning i kanalene i den integrerte forbrenningsreaktor og dampmetanreformeringsanordningen koblet med hydrogenforbrenningens hurtige kinetikk leverer hoveddelen av varmen rett ved katalysator sjiktinnløpet og maksimaliserer derved hastigheten for dampmetanreformeringsreaksjonen. c> Termoelementer er anbrakt ned reaktorens lengde med de høyeste temperaturer nær innløpet for den felles reformerings- og forbrenningsstrøm. A summary of the results of the tests carried out is shown in Table 3. The tests show a large drop (36-80°C) in temperatures in the steam reformer along the length of the reactor, suggesting that the main part of the combustion takes place at the inlet to the combustion chamber (in cataly -sator zone). It is worth noting that the ideal area for supplying heat to the reforming reaction is at the catalyst inlet where the SMR reactant concentration gradient (and therefore the reaction rate) is highest. The co-flow design in the channels of the integrated combustion reactor and steam methane reforming device coupled with the fast kinetics of hydrogen combustion delivers the bulk of the heat right at the catalyst bed inlet and thereby maximizes the speed of the steam methane reforming reaction. c> Thermocouples are placed down the length of the reactor with the highest temperatures near the inlet for the common reforming and combustion stream.

Anordningen viste forskjeller på over 50°C i damprefor-meringsanordningstemperaturer på samme steder på hver kanal i reformeringsanordningen, noe som antyder at brenselet eller luften ikke fordeles jevnt mellom de to forbrennings-kammerhalvkanaler. Den integrerte forbrenningsreaktor tran-sporterte opptil 54,8% av varmen som dannes ved forbrenningen inn i den endoterme reaksjonen (det estimeres at ca. 40% av energien som dannes ble brukt til å varme opp forbrenningsproduktene til 740°C). Ved drift ved topp-kapasitet var derved varmetap i anordningen så lave som 10% av energien som var tilgjengelig ved 740°C, noe som viste en utrolig høy effektivitet for en slik liten anordning. Den beregnete, største, gjennomsnittlige varmefluks var 13,2 W/cm<2>. Denne fluks er høyere enn noe som er rapportert i litteraturen for driving av en endoterm reaksjon. Det følger derav at den integrerte forbrenningsreaktors forbi-strømningskonsept kan benyttes til å fremstille reaktorer med stor gjennomstrømning, som er mye mer kompakte og oppfører seg bedre enn anordninger som benytter monolitt-eller gjennomstrømningskatalysatorutforminger. The device showed differences of over 50°C in steam reformer temperatures at the same locations on each channel in the reformer, suggesting that the fuel or air is not evenly distributed between the two combustion chamber half-channels. The integrated combustion reactor transported up to 54.8% of the heat generated by the combustion into the endothermic reaction (it is estimated that about 40% of the energy generated was used to heat the combustion products to 740°C). When operating at peak capacity, heat losses in the device were thus as low as 10% of the energy available at 740°C, which showed an incredibly high efficiency for such a small device. The calculated largest average heat flux was 13.2 W/cm<2>. This flux is higher than anything reported in the literature for driving an endothermic reaction. It follows that the integrated combustion reactor bypass concept can be used to produce high throughput reactors, which are much more compact and better behaved than devices using monolithic or flow-through catalyst designs.

Resultater fra tester med den andre type av integrert forbrenningsreaktor (ICR) viser mye høyere effektivitet enn med et eksternt forbrenningskammer (så høyt som 56,7% forbrenningsbrenselenergi ble overført til dampreformeringsreaksjonen av de høyest mulige 60,4% som kan leveres ved 740°C ved 92% forbrenningsbrenselomdanning og 47% overskuddsluft). Varmefluksen var 13 W/cm<2>, som er høyere enn enhver rapporterte i litteraturen. For de betingelser hvor denne varmefluks opptrådte var trykk-fallene som ble målt tvers gjennom forbrenningskammeret og reformeringsanordningen henholdsvis 0,46 bar (6,7 psid) og 0,76 bar (11,0 psid). Disse resultater bekrefter at forbistrømningskatalysatorutformingen muliggjør katalytiske forbrenningsvarmetransporthastigheter og effektiviteter som er langt over de i eksisterende ICR-lignende anordninger. Derimot pådrog gjennomstrømningsanordningen (eksempel 1) seg trykkfall tvers gjennom forbrenningskammeret og reformeringsanordningen på henholdsvis 5,3 bar (77 psid) og 5,0 bar (72 psid) ved en varmefluks på 3,0 W/cm<2>. Results from tests with the second type of integrated combustion reactor (ICR) show much higher efficiency than with an external combustion chamber (as high as 56.7% of combustion fuel energy was transferred to the steam reforming reaction of the highest possible 60.4% that can be delivered at 740°C at 92% combustion fuel formation and 47% excess air). The heat flux was 13 W/cm<2>, which is higher than any reported in the literature. For the conditions where this heat flux occurred, the pressure drops measured across the combustion chamber and reformer were 0.46 bar (6.7 psid) and 0.76 bar (11.0 psid) respectively. These results confirm that the bypass catalyst design enables catalytic combustion heat transport rates and efficiencies far in excess of those of existing ICR-like devices. In contrast, the flow-through device (Example 1) incurred pressure drops across the combustion chamber and reformer of 5.3 bar (77 psid) and 5.0 bar (72 psid) respectively at a heat flux of 3.0 W/cm<2>.

Resultater som er typisk for reformeringsanordningens beteende er vist i fig. 14. Verdier av likevektsselek-tivitet overfor CO beregnet for målte reaktortemperaturer (antatt å være lik gjennomsnittet av alle seks hoveddeltemperaturer) var i god overensstemmelse med målte selektivitetsverdier. Av dataene i fig. 14 er det klart at den integrerte forbrenningsreaktor er i stand til å oppnå likevektsomdanning for kontakttider i reformeringsanordningen på 15ms og nær likevektsomdanning ved kontakttider på 7,5ms. Results that are typical of the reformer's behavior are shown in fig. 14. Values of equilibrium selectivity towards CO calculated for measured reactor temperatures (assumed to be equal to the average of all six main part temperatures) were in good agreement with measured selectivity values. From the data in fig. 14, it is clear that the integrated combustion reactor is capable of achieving equilibrium conversion for contact times in the reformer of 15ms and near equilibrium conversion at contact times of 7.5ms.

Fig. 15-16 understøtter hypotesen at enten brenselet eller luften ikke ble jevnt fordelt mellom de to halvkanaler. Dataene i fig. 15 viser at for det området av kontakttider som ble testet sees ingen økning i omdanning når kontakttid forkortes, noe som antyder at begrensningen av omdanning ikke skyldes katalytisk aktivitet. Fig. 15-16 supports the hypothesis that either the fuel or the air was not evenly distributed between the two half-channels. The data in fig. 15 shows that for the range of contact times that were tested, no increase in conversion is seen when contact time is shortened, which suggests that the limitation of conversion is not due to catalytic activity.

En sterk trend i hydrogenomdanning sees med synkende overskuddsluft, noe som antyder at under 150% overskuddsluft kan den ene av forbrenningshalvkanalene kanskje drives brenselrik, noe som begrenser den høyest oppnåelige totale omdanning. A strong trend in hydrogen conversion is seen with decreasing excess air, suggesting that below 150% excess air, one of the combustion half-channels may be operated fuel-rich, limiting the highest achievable total conversion.

Den integrerte forbrenningsreaktor ble drevet i totalt 21 timer over 6 dager uten at det ble iakttatt noen vesentlig deaktivering for verken katalysatoren i forbrenningskammeret eller i reformeringsanordningen. Under testing overskred de målte hoveddeltemperaturer aldri 860°C og var typisk 750-800°C. The integrated combustion reactor was operated for a total of 21 hours over 6 days with no significant deactivation observed for either the catalyst in the combustor or in the reformer. During testing, the measured main part temperatures never exceeded 860°C and were typically 750-800°C.

KONKLUSJONER CONCLUSIONS

1. En integrert forbrenningsreaktor (ICR) ble utformet, fremstilt og viste seg å være i stand til å oppnå en varmetransportmengde på 13,2 W/cm<2>med trykkfall på mindre enn 0,76 bar og 0,46 bar i kanalene i henholdsvis reformeringsanordningen og forbrenningskammeret. 2. Likevektsomdanning og selektivitet ble oppnådd i denne integrerte forbrenningsreaktor for totale kanalreformer-ingsanordningskontakttider så lave som 15ms, selv om for-brenningskatalysatorsjiktet bare raget 1/5 av lengden på katalysatorsjiktet i reformeringsanordningen. 3. Etter 21 timers drift ved 750-800°C viste en integrert forbrenningsreaktor med en enkel kanal ingen vesentlige tegn på katalysatordeaktivering, selv om forbrenningskammeret normalt ble drevet med bare 41% overskuddsluft (med noen utslag til mindre enn 3% overskuddsluft). På grunn av den uvanlige høye kapasitet hos denne "enkelt kanal" integrerte forbrenningsreaktor var så lave varmetap som 10% av den totale tilgjengelige energi ved 740°C oppnåelige. 1. An integrated combustion reactor (ICR) was designed, fabricated and proved capable of achieving a heat transfer rate of 13.2 W/cm<2> with pressure drops of less than 0.76 bar and 0.46 bar in the channels in the reformer and the combustion chamber, respectively. 2. Equilibrium conversion and selectivity were achieved in this integrated combustion reactor for total channel reformer contact times as low as 15ms, even though the combustion catalyst bed extended only 1/5 of the length of the catalyst bed in the reformer. 3. After 21 hours of operation at 750-800°C, a single channel integrated combustion reactor showed no significant signs of catalyst deactivation, although the combustor was normally operated with only 41% excess air (with some occurrences of less than 3% excess air). Due to the unusually high capacity of this "single channel" integrated combustion reactor, heat losses as low as 10% of the total available energy at 740°C were achievable.

Eksempel 3 Example 3

I dette eksempel beskrives utformingen og testingen av en mikrokanalreaktor med flere interfolierte kanaler, hvor varmeproduserende (eksoterme) og varmeforbrukende (endoterme) reaksjonskanaler er interfoliert (integrert) med hverandre. Forbrenning av hydrogen i luft ble benyttet som den eksoterme reaksjon, mens dampreformering av metan ved et forhold mellom damp og karbon på 2:1 ble benyttet som den endoterme reaksjon. Trykket for begge reaksjoner var nær atmosfæretrykk og arbeidet ved et trykk som var nødvendig for å overvinne trykkfallet i systemet. For dampmetanreformeringssiden var det typiske driftstrykk 139 kPa, og for forbrenningssiden var det typiske driftstrykk også 137 kPa. En forbistrømningsutforming ble benyttet, som muliggjorde mye høyere gjennomstrømning ved minimalt (mindre enn 0,2 bar) trykkfall ved å la reaktantstrømmen i hver kanal (enten eksoterm eller endoterm) strømme i en smal (ca. 0,2mm) spalte mellom to lag av porøse, konstruerte katalysatorer, som er i intim varmekontakt med den faste kanalvegg eller varmetransportflate. Reaktantene diffunderer stort sett fra spalten til den porøse katalysator. Reaktantene fortsetter deretter å diffundere og reagere inne i den porøse katalysator som befinner seg opptil varmetransportflaten. Utformingen omfattet ni forbrenningskanaler interfoliert mellom ti reformeringsanordningskanaler i et fellesstrømarrangement. Testresultatene fra den integrerte forbrenningsreaktor (ICR) viser at konseptet med den integrerte forbrenningsreaktor kan oppskaleres for anvendelse i en flerkanalsanordning. This example describes the design and testing of a microchannel reactor with several interleaved channels, where heat-producing (exothermic) and heat-consuming (endothermic) reaction channels are interleaved (integrated) with each other. Combustion of hydrogen in air was used as the exothermic reaction, while steam reforming of methane at a ratio between steam and carbon of 2:1 was used as the endothermic reaction. The pressure for both reactions was close to atmospheric pressure and operated at a pressure necessary to overcome the pressure drop in the system. For the steam methane reforming side, the typical operating pressure was 139 kPa, and for the combustion side, the typical operating pressure was also 137 kPa. A bypass design was used, which enabled much higher throughput at minimal (less than 0.2 bar) pressure drop by allowing the reactant stream in each channel (either exothermic or endothermic) to flow in a narrow (approx. 0.2mm) gap between two layers of porous, engineered catalysts, which are in intimate thermal contact with the solid channel wall or heat transfer surface. The reactants mostly diffuse from the gap into the porous catalyst. The reactants then continue to diffuse and react within the porous catalyst located up to the heat transfer surface. The design included nine combustion channels interleaved between ten reformer channels in a common flow arrangement. The test results from the integrated combustion reactor (ICR) show that the concept of the integrated combustion reactor can be scaled up for use in a multi-channel device.

Et hovedlegeme for en integrert forbrenningsreaktor ble fremstilt av Inconel 625 under anvendelse av tråd-EDM for å danne spor i en blokk av massivt metall. Anordningen ble fremstilt av en 5,33cm lang, 5,23cm høy og 2,54cm bred blokk. Ni forbrenningskanaler ble maskinert 5,3cm gjennom blokkens lengde ved streng-EDM, hvorved hver kanal hadde en total bredde på 1,78cm og 0,081cm høyde. Hver forbrenningskanal ble sentrert i blokkens bredde på 2,5cm. Interfoliert mellom de ni forbrenningskanaler var åtte dampmetanreformeringsanordningskanaler, og disse interfolierte kanaler ble slått sammen ved hjelp av to mindre SMR-kanaler som sikret varmesynking på begge sider av hver forbrenningskanal. Alle dampmetanreformeringsanordningskanalene i blokken var 4,57cm i lengde, hvorved kanalen begynte 0,25cm fra den side hvor forbrenningsreaktantene kommer inn og endte 0,51cm fra utløpet av forbrenningskanalene. De åtte dampmetanreformeringsanordningskanaler hadde høyder på 0,81mm mens to mindre, sammenstillende SMR-kanaler hadde høyder på 0,43mm. Skillet mellom alle kanalene i damp-metanref ormeringsanordningen og forbrenningskammeret ble opprettholdt ved hjelp av varmetransportnett med tykkelse på 0,15cm, og de interfolierte kanaler ble sentrert inne i anordningens høyde på 5,23cm. Den generelle kanalorien-tering og kanalenes interfolierte natur er begge vist i fig. 17. A main body for an integrated combustion reactor was fabricated from Inconel 625 using wire EDM to form grooves in a block of solid metal. The device was made from a 5.33cm long, 5.23cm high and 2.54cm wide block. Nine combustion channels were machined 5.3cm through the length of the block by string EDM, with each channel having a total width of 1.78cm and 0.081cm height. Each combustion channel was centered in the block's width of 2.5 cm. Interleaved between the nine combustor channels were eight steam methane reformer channels, and these interleaved channels were joined by two smaller SMR channels which provided heat sinks on both sides of each combustor channel. All steam methane reformer channels in the block were 4.57 cm in length, whereby the channel began 0.25 cm from the side where the combustion reactants enter and ended 0.51 cm from the exit of the combustion channels. The eight steam methane reformer ducts had heights of 0.81 mm while two smaller, converging SMR ducts had heights of 0.43 mm. The separation between all the channels in the steam-methane reformer and the combustor was maintained using 0.15 cm thick heat transfer mesh, and the interleaved channels were centered within the device height of 5.23 cm. The general channel orientation and the interfoliated nature of the channels are both shown in fig. 17.

Fluidadgang til SMR-kanalene er gjennom sidene hvor kanalene er maskinert gjennom en retning vinkelrett på forbrenningskanalene. For at SMR-strømmen i hver kanal beveges samtidig med forbrenningskanalene ble det fremstilt to 4,Olcm x 0,38cm sidestykker for hver SMR-kanal med høyder som var tilpasset høydene i SMR-kanalen (presspasning). For hver SMR-kanal var hver av disse sidestykker anbrakt 0,38cm inn i kanalen og plassert slik at 0,51cm åpning ble etterlatt oppstrøms for katalysatoren for at reaktantgass skulle kunne passere gjennom fra forgreningskammeret, mens et annet ble anbrakt på den motstående side og etterlot en tilsvarende åpning nedstrøms for katalysatoren for at gasser skulle forlate samle-kammeret. Disse åpninger begynner 0,25cm fra forbrennings-innløpssiden av blokken. De forbistrømte SMR-katalysatorer innføres deretter i SMR-kanalene, av lengde 3,57cm, bredde 1, 78cm og tykkelse 0,03cm. To SMR-katalysatorer går inn i hver av de åtte midtre kanaler opp mot begge varmetran-sportf later, noe som resulterer i en spalte på 0,2mm. En eneste SMR-katalysator går inn i de to sammenstillende SMR-kanaler, anbringes mot varmetransportflaten den deler med forbrenningskanalen, noe som fører til en spalte på 0,12mm. Katalysatorene blir sentrert inne i den 4,57cm lange og 2,54cm brede SMR-kanal. Fluid access to the SMR channels is through the sides where the channels are machined through a direction perpendicular to the combustion channels. In order for the SMR flow in each channel to move simultaneously with the combustion channels, two 4.0 cm x 0.38 cm side pieces were produced for each SMR channel with heights that were adapted to the heights in the SMR channel (press fit). For each SMR channel, each of these side pieces was placed 0.38cm into the channel and positioned so that a 0.51cm opening was left upstream of the catalyst for reactant gas to pass through from the manifold, while another was placed on the opposite side and left a corresponding opening downstream of the catalyst for gases to leave the collection chamber. These openings start 0.25cm from the combustion inlet side of the block. The bypassed SMR catalysts are then introduced into the SMR channels, of length 3.57 cm, width 1.78 cm and thickness 0.03 cm. Two SMR catalysts enter each of the eight central channels up against both heat transfer surfaces, resulting in a gap of 0.2mm. A single SMR catalyst enters the two mating SMR channels, positioned against the heat transfer surface it shares with the combustion channel, resulting in a gap of 0.12mm. The catalysts are centered inside the 4.57cm long and 2.54cm wide SMR channel.

For å opprettholde den ovenfor beskrevne forbistrøm-ningsspalte og holde katalysatorene an mot kanalveggen, ble to 3,57 cm lange, 0,13 cm brede strimler av «Inconel» 625 anbrakt mellom de 2 katalysatorer, hvorved tykkelsen på de 2 strimler var lik spaltehøyden. Disse 2 strimler flukter med sine lengder i overensstemmelse med katalysatorleng-dene, og ble anbrakt på kantene av kanalene som de 2 katalysatorer danner. Det avsluttende trinn omfatter anbringelse av det andre sidestykket 0,38 cm inn i bredden for hver SMR-kanal på den motstående side av det første styk-ket. Den anbringelsen danner en 0,51 cm lang åpning for SMR-produktene til å forlate kanalen, og denne åpning er 0,51 cm i lengde hvor kanten som forbrenningsproduktene forlater anordningen fra. Den totale effekt av tilføyelsen av de 2 sidestykker er å bygge opp et lite z-formet forgreningsrør for strømning gjennom kanalen dannet av SMR-katalysatorspalten. En tegning som viser formen på strømningsbanen for SMR-kanalene finnes i Fig. 18. In order to maintain the above-described bypass gap and keep the catalysts against the channel wall, two 3.57 cm long, 0.13 cm wide strips of "Inconel" 625 were placed between the 2 catalysts, whereby the thickness of the 2 strips was equal to the gap height . These 2 strips run with their lengths in accordance with the catalyst lengths, and were placed on the edges of the channels that the 2 catalysts form. The final step involves placing the second side piece 0.38 cm into the width of each SMR channel on the opposite side of the first piece. That arrangement forms a 0.51 cm long opening for the SMR products to exit the channel, and this opening is 0.51 cm in length where the edge from which the combustion products exit the device. The overall effect of the addition of the 2 side pieces is to build up a small z-shaped manifold for flow through the channel formed by the SMR catalyst gap. A drawing showing the shape of the flow path for the SMR channels can be found in Fig. 18.

SMR-forgreningsrøret som fordeler SMR-strømmene fra et enkelt innløpsrør til de 10 kanaler, fremstilles av en eneste blokk av materiale, 5,08 cm langt, 4,71 cm høyt og 0,95 bredt. I denne blokk fører individuelle, sirkelrunde sylinderkanaler fra åpningene som er nevnt i avsnittet ovenfor til et halvrør som er sveiset over åpningen. SMR-forgreningsrøret som tar utløpene fra hver strøm inn i ett eneste utløpsrør har en lignende utforming med sine for-bindelsessylindre tilpasset til utløpskanalene. The SMR manifold that distributes the SMR streams from a single inlet tube to the 10 channels is fabricated from a single block of material, 5.08 cm long, 4.71 cm high and 0.95 wide. In this block, individual, circular cylinder channels lead from the openings mentioned in the above paragraph to a half-tube welded over the opening. The SMR branch pipe which takes the outlets from each stream into a single outlet pipe has a similar design with its connecting cylinders adapted to the outlet channels.

Hver av de 9 forbrenningskanaler hadde 2 forbrenningskatalysatorer av de samme dimensjoner som SMR-katalysatorene og anvendte de samme dimensjoner for strimlene som ble benyttet til skilling i SMR-kanalene. Forbrenningskata-lysatorene skyves inn i lengden av hver kanal, 0,76 cm fra den side forbrenningsreaktantene kommer inn, og ved å gjøre dette sikres at SMR- og forbrenningskatalysatorenes over-flater flukter for optimal varmetransport. Each of the 9 combustion channels had 2 combustion catalysts of the same dimensions as the SMR catalysts and used the same dimensions for the strips used for separation in the SMR channels. The combustion catalysts are pushed into the length of each channel, 0.76 cm from the side where the combustion reactants enter, and doing so ensures that the surfaces of the SMR and combustion catalysts flush for optimal heat transfer.

Forbrenningsgass-forgreningsrøret som bringer inn brenslet (hydrogen) og luften, må fordele luft og brensel likt til de 9 kanaler, mens de 2 brennbare strømmer holdes separate inntil de møtes i forbrenningskanalinnløpet. Dette oppnås ved å ta en 1,27 cm x 5,23 cm x 2,54 cm bred blokk av «Inconel» 625 og anvende en streng-EDM til å maskinere 1,27 cm x 1,78 cm x 0,3 cm gjennomgående kanaler, én for luften og brenslet for hver kanal. En enkelt luftkanal slutter seg til innløpet av hver forbrenningskanal, mens en enkelt brenselkanal er en høyde på l,93mm under den. De 2 kanaler forbindes ved forbrenningskanalinnløpet ved anvendelse av en 0,38mm lang kanal maskinert i planet som danner grenseflater med forbrenningskanalen. Dette gjør det mulig for brenslet å utføre en 90° sving og bevege seg inn i den maskinerte lomme ved grenseflaten med hovedlegemet for å møte den innkommende luftstrøm hvor det foregår blanding, slik som vist i Fig. 18e. Brensel- og luftkanalene som fremstilles slik med streng-EDM stenges med sveiser på den motstående flate av grenseflaten med reaktorlegemet. Forgreningsrøret for avlevering av luft fra et enkelt inn-løpsrør i kanalene som er fremstilt ved hjelp av streng-EDM dannes ved maskinering i 0,25 cm diameters rør som rager inn fra blokkens side. Disse rager inn 2,16 cm av bredden fra siden, noe som danner et individuelt forgreningsrør for luft tvers igjennom forbrenningskanalen. Disse individuelle kanalforgreningsrør er med et eneste rør forbundet med inn-løpet. Forgreningsrøret for brenslet har en tilsvarende utforming. Det totale forgreningsrør er vist i figurene 17 og 18. The combustion gas manifold that brings in the fuel (hydrogen) and the air must distribute air and fuel equally to the 9 channels, while the 2 combustible streams are kept separate until they meet in the combustion channel inlet. This is accomplished by taking a 1.27 cm x 5.23 cm x 2.54 cm wide block of "Inconel" 625 and using a string EDM to machine 1.27 cm x 1.78 cm x 0.3 cm through channels, one for the air and the fuel for each channel. A single air duct joins the inlet of each combustion duct, while a single fuel duct is a height of 1.93mm below it. The 2 channels are connected at the combustion channel inlet using a 0.38mm long channel machined in the plane that forms the interface with the combustion channel. This enables the fuel to make a 90° turn and move into the machined pocket at the interface with the main body to meet the incoming air flow where mixing takes place, as shown in Fig. 18e. The fuel and air channels produced in this way with string EDM are closed with welds on the opposite surface of the interface with the reactor body. The branch pipe for delivering air from a single inlet pipe in the channels produced by string EDM is formed by machining 0.25 cm diameter pipes that protrude from the side of the block. These protrude 2.16 cm of the width from the side, which forms an individual branch pipe for air across the combustion channel. These individual channel branch pipes are connected to the inlet by a single pipe. The branch pipe for the fuel has a similar design. The total manifold is shown in figures 17 and 18.

Forgreningsrøret for forbrenningsproduktet til et eneste utløpsrør ble fremstilt av en blokk av «Inconel» 625, som var 0,95 cm lang, 4,71 cm høy, og 2,29 cm bred. Forgreningsrøret er et stort åpent rom med lengde på ca. 0,51 cm for strøm å samles i, med et utløp med diameter på 0,46 cm på bunnsiden av flaten overfor grenseflaten med reaktoren. The combustion product manifold to a single outlet pipe was fabricated from a block of "Inconel" 625, which was 0.95 cm long, 4.71 cm high, and 2.29 cm wide. The branch pipe is a large open space with a length of approx. 0.51 cm for current to collect in, with a 0.46 cm diameter outlet on the underside of the surface opposite the interface with the reactor.

Gassformede reaktanter ble oppmålt fra trykksylindre via Brooks massestrømregulatorer, mens vann ble levert via en høytrykksvæskepumpe (HPLC). Et eksternt forbrenningskammer og et varmevekslernettverk ble anvendt for å fordampe det tilførte vann kontinuerlig, forvarme damprefor-meringsreaktanten til 500-600°C, samt forvarme forbrenningsluften til 500°C. Anordningslegeme-temperaturer ble målt i termobrønner (boret inn i utvalgte steg mellom kanaler) under anvendelse av 0,81 mm termoelementer av type K, og registrering under anvendelse av et «Iotec»-dataloggingssystem. Innløps- og utløpsgasstrykk ble målt for forbrennings- og reformeringsstrømmene via kalibrerte trykktransduktorer. Gasstemperaturer ble også målt med termoelement ved forbrenningsgassinnløpet- og utløpet, og ved reformeringsanordningsgassinnløpet- og utløpet. Produktgassene ble avkjølt i vannkjølte kondensatorer og den tørre utgangsstrøm målt i en tørrtestmåler. Tørr produktgass (H2, CO, C02, CH4, 02, og N2) ble målt under anvendelse av en online-gasskromatograf. Alle tester for den integrerte forbrenningsreaktor, ble utført under anvendelse av et molart forhold mellom damp-til-karbon på 2:1. Gaseous reactants were metered from pressure cylinders via Brooks mass flow controllers, while water was delivered via a high pressure liquid (HPLC) pump. An external combustion chamber and a heat exchanger network were used to continuously evaporate the supplied water, preheat the steam reforming reactant to 500-600°C, and preheat the combustion air to 500°C. Device body temperatures were measured in thermowells (drilled into selected steps between channels) using 0.81 mm type K thermocouples, and recorded using an "Iotec" data logging system. Inlet and outlet gas pressures were measured for the combustion and reforming streams via calibrated pressure transducers. Gas temperatures were also measured with a thermocouple at the combustion gas inlet and outlet, and at the reformer gas inlet and outlet. The product gases were cooled in water-cooled condensers and the dry outlet flow measured in a dry test meter. Dry product gas (H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , O 2 , and N 2 ) was measured using an online gas chromatograph. All tests for the integrated combustion reactor were performed using a steam-to-carbon molar ratio of 2:1.

Katalysatorer ble redusert før den første dags testing ved 125°C 1 Ml time. Oppstarting av den integrerte f orbren-ningsreaktor ble utført i adskillige trinn. Først ble en inert strøm (nitrogen, 1-5 SLPM) initiert både i forbrennings- og reformeringskanalene. Deretter ble det eksterne forbrenningskammer tent for å sørge for vannfordampning og forvarming i eksterne, mikrokanalbaserte varmevekslere. Deretter ble nitrogenstrømmen til forbrenningskammeret avstengt, og luftstrømmen initiert. Hydrogen ble deretter innført i forbrenningskanalene som ca. 3% av den totale strøm, noe som forårsaket katalytisk tenning av forbrenningsreaktantene. Deretter ble hydrogeninnholdet langsomt økt for å bringe reaktortemperaturen til ca. 700°C. Deretter ble en liten hydrogenstrøm innført i reformeringskanalene for å hindre katalysatoroksidasjon med damp, vann ble matet gjennom fordamperen og leverte derved damp til reformeringskanalene. Til slutt ble nitrogenet til reformeringsanordningen avstengt, og metan ble innført i reformeringsanordningen, og hydrogenet til reformeringsanordningen ble avstengt. Etter at reformeringsreaksjonen startet ble ytterligere hydrogen tilført til forbrenningskanalene for å opprettholde reaktortemperaturen på mellom 750 og 850°C. Forandringer i prosess-strømmer utført under drift i stabil tilstand ble utført på en balansert måte (forandringen både av reformerings- og forbrennings-strømmene samtidig) for å hindre store forbigående avvik av den integrerte forbrenningsreaktors temperatur fra den ønskede driftstemperatur. Catalysts were reduced prior to the first day of testing at 125°C 1 Ml hour. Start-up of the integrated combustion reactor was carried out in several stages. First, an inert stream (nitrogen, 1-5 SLPM) was initiated in both the combustion and reformer channels. The external combustion chamber was then ignited to ensure water evaporation and preheating in external, microchannel-based heat exchangers. Then the nitrogen flow to the combustion chamber was shut off, and the air flow initiated. Hydrogen was then introduced into the combustion channels as approx. 3% of the total current, which caused catalytic ignition of the combustion reactants. Then the hydrogen content was slowly increased to bring the reactor temperature to approx. 700°C. A small stream of hydrogen was then introduced into the reforming channels to prevent catalyst oxidation by steam, water was fed through the evaporator thereby supplying steam to the reforming channels. Finally, the nitrogen to the reformer was shut off, and methane was introduced into the reformer, and the hydrogen to the reformer was shut off. After the reforming reaction started, additional hydrogen was added to the combustion channels to maintain the reactor temperature at between 750 and 850°C. Changes in process streams carried out during steady state operation were carried out in a balanced manner (changing both the reforming and combustion streams simultaneously) to prevent large transient deviations of the integrated combustion reactor temperature from the desired operating temperature.

En oppsummering av resultatene av tester utført under anvendelse av den integrerte forbrenningsreaktor på nær omgivelsestrykk er vist i Tabell 4. Legg merke til at i Tabell 4 vil, som følge av at forbrenningsluften var forvarmet til 500°C, og en lav % overskuddsluft (48-75%) ble benyttet, adiabatiske flammetemperaturer inne i forbrenningskanalene teoretisk overskride 2100°. Men høyeste målte temperaturer inne i den integrerte forbrenningsreaktor var godt under 940°C, noe som viser effektiviteten til konseptet med den integrerte forbrenningsreaktor til transport av varme bort fra forbrenningskanalene og inn i den endoterme reaksjon. Legg også i Tabell 4 merke til at høye varmeflukser (nær 3 W/cm<2>) og høye omdanninger kan oppnås selv ved meget korte kontakttider (så lave som 33 ms). Kontakttid defineres her som det totale kanalvolumet (som rommer katalysatoren og forbistrømningsarealet) dividert med den totale volumetriske innløpsstrøm-mengde (omregnet til standard betingelser, 0°C og 1 atm). Selv for meget hurtige kontakttider av dataene som er vist i Tabell 4, er trykkfall minimalt (ca. 0,14-0,21 bar), noe som viser den dis-tinkte fordel med forbistrømningsarrangementet i den integrerte forbrenningsreaktor. A summary of the results of tests carried out using the integrated combustion reactor at near ambient pressure is shown in Table 4. Note that in Table 4, as a result of the combustion air being preheated to 500°C, and a low % excess air (48 -75%) was used, adiabatic flame temperatures inside the combustion channels theoretically exceed 2100°. However, the highest measured temperatures inside the integrated combustion reactor were well below 940°C, demonstrating the effectiveness of the integrated combustion reactor concept in transporting heat away from the combustion channels and into the endothermic reaction. Note also in Table 4 that high heat fluxes (close to 3 W/cm<2>) and high conversions can be achieved even with very short contact times (as low as 33 ms). Contact time is defined here as the total channel volume (which accommodates the catalyst and the bypass area) divided by the total volumetric inlet flow amount (converted to standard conditions, 0°C and 1 atm). Even for very fast contact times of the data shown in Table 4, pressure drop is minimal (about 0.14-0.21 bar), showing the distinct advantage of the bypass arrangement in the integrated combustion reactor.

Den integrerte forbrenningsreaktor ble utformet for å gi bevis på prinsippet med konseptet for den integrerte forbrenningsreaktor i en anordning med flere kanaler, og er ikke en optimalisert prototyp. Optimalisering av innløps-og utløpsforgreningsrør, samt kanalgeometri forventes å muliggjøre økt kapasitet og/eller minske trykkfallet. Målinger av metanomdannelse i den integrerte forbrenningsreaktor (kanaler i reformeringsanordningen) ble utført for en rekke forbrenningskanalluft-ekvivalensforhold. Luftekvivalensforhold defineres som forholdet mellom tilgjengelig forbrenningsoksygen og det som er nødvendig for støkio-metrisk forbrenning. Det ble iakttatt at metanomdannelse gradvis avtok ved økende luftekvivalensforhold fra ca. 83% omdannelse ved et ekvivalensforhold på 1,75 til ca. 63% omdannelse ved et luftekvivalensforhold på 7,0. Selv om noe forkoksing av reformeringskatalysatoren ble iakttatt når reformeringsreaktant-forvarming fikk falle under 500°C, ble aktivitet fullstendig gjenopprettet etter utbrenning av koksen med luft, og re-redusering av katalysatoren. Den integrerte forbrenningsreaktor ble drevet i over 10 t, men omfattet 3 varmesykluser. The integrated combustion reactor was designed to provide proof of principle of the concept of the integrated combustion reactor in a multi-channel device and is not an optimized prototype. Optimizing the inlet and outlet branch pipes, as well as channel geometry, is expected to enable increased capacity and/or reduce the pressure drop. Measurements of methane conversion in the integrated combustion reactor (channels in the reformer) were performed for a range of combustion channel air equivalence ratios. Air equivalence ratio is defined as the ratio between available combustion oxygen and that required for stoichiometric combustion. It was observed that methane conversion gradually decreased with increasing air equivalence ratio from approx. 83% conversion at an equivalence ratio of 1.75 to approx. 63% conversion at an air equivalence ratio of 7.0. Although some coking of the reforming catalyst was observed when the reforming reactant preheat was allowed to drop below 500°C, activity was fully restored after burning off the coke with air and re-reducing the catalyst. The integrated combustion reactor was operated for over 10 h, but included 3 heating cycles.

Sammenfatningsvis ble en integrert forbrenningsreaktor med flere kanaler utformet, fremstilt og vist å være i stand til å oppnå en varmetransportmengde på 2,8 W/cm2 og en volumetrisk varmefluks på 13 W/cm<2>ved trykkfall på mindre enn 0,23 bar og 0,19 bar i kanalene i henholdsvis reformeringsanordningen og forbrenningskammeret. Høy omdannelse (70-82%) ble oppnådd i denne integrerte forbrenningsreaktor for totale kanalreformeringsanordningskontakt-tider på 33-60 ms. Etter over 10 t drift ved 750-850°C viste den integrerte forbrenningsreaktor ingen vesentlige tegn på katalysator-deaktivering, selv om forbrenningskammeret ble drevet med 75% overskuddsluft eller mindre i mer enn 1 ^ time. In summary, an integrated multi-channel combustion reactor was designed, fabricated and shown to be capable of achieving a heat transfer rate of 2.8 W/cm2 and a volumetric heat flux of 13 W/cm<2>at pressure drops of less than 0.23 bar and 0.19 bar in the channels in the reformer and the combustion chamber, respectively. High conversion (70-82%) was achieved in this integrated combustion reactor for total channel reformer contact times of 33-60 ms. After over 10 hours of operation at 750-850°C, the integrated combustor showed no significant signs of catalyst deactivation, even though the combustor was operated with 75% excess air or less for more than 1½ hours.

Eksempel 4 Example 4

En integrert forbrenningsmikrokanalreaktor som var i stand, til å frembringe eksepsjonelt høye varmeflukser (opp til 29 W/cm<2>og 118 W/cm<3>) til en meget eksoterm reaksjon med minimalt trykkfall ble utformet, fremstilt og demonstrert. I denne rapport beskrives utformingen og testingen av denne flerkanals interfolierte mikrokanalreaktor hvori varmeproduserende- (eksoterme) og varmeforbrukende (endoterme) reaksjonskanaler var interfoliert (integrert) med hverandre. Forbrenning av hydrogen i luft ble benyttet som den eksoterme reaksjon, mens dampreformering av metan (SMR) med et forhold mellom damp og karbon på 2:1 ble benyttet som den endoterme reaksjon. En forbistrømningsutforming ble anvendt, som muliggjorde mye høyere gjennomstrømning med minimalt (<0,34 bar) trykkfall. Ved å la reaktantstrømmen i hver kanal (enten eksoterm eller endoterm) strømme i en smal (ca. 0,3 mm) spalte mellom 2 lag av porøs, konstruert katalysator som var i intim varmekontakt med den faste kanalvegg eller varmetransportflate. Utformingen omfattet 4 forbrenningskanaler interfoliert mellom 6 reformeringsanordningskanaler i et felles strømarrangement. Testresultatene viser at integrerte mikrokanalforbrenningsreaktorer kan anvendes til å levere mye høyere volumetriske varmeflukser (dvs. 118 W/cm<3>) enn det som er mulig i konvensjonelle reformeringsanordninger, og disse varmeflukser kan oppnås ved minimalt trykkfall (0,28-0,34 bar). Høye omdannelser var også mulige ved meget høye gassromhastigheter pr. time (f.eks. IO<6>h"<1>) An integrated combustion microchannel reactor capable of producing exceptionally high heat fluxes (up to 29 W/cm<2> and 118 W/cm<3>) to a highly exothermic reaction with minimal pressure drop was designed, fabricated and demonstrated. This report describes the design and testing of this multi-channel interfoliated microchannel reactor in which heat-producing (exothermic) and heat-consuming (endothermic) reaction channels were interfoliated (integrated) with each other. Combustion of hydrogen in air was used as the exothermic reaction, while steam reforming of methane (SMR) with a steam to carbon ratio of 2:1 was used as the endothermic reaction. A bypass design was used, which enabled much higher throughput with minimal (<0.34 bar) pressure drop. By allowing the reactant stream in each channel (either exothermic or endothermic) to flow in a narrow (approx. 0.3 mm) gap between 2 layers of porous, engineered catalyst that was in intimate thermal contact with the fixed channel wall or heat transfer surface. The design included 4 combustion channels interleaved between 6 reforming device channels in a common flow arrangement. The test results show that integrated microchannel combustion reactors can be used to deliver much higher volumetric heat fluxes (i.e. 118 W/cm<3>) than is possible in conventional reformers, and these heat fluxes can be achieved with minimal pressure drop (0.28-0.34 bars). High conversions were also possible at very high gas space velocities per hour (eg IO<6>h"<1>)

Gassromhastighet pr. time er definert som antall SMR-reaktorkjernegassvolumer (definert ved 0°C og 1 atm) som vil passere gjennom SMR-katalysatorholdige kanaler hver time. Romhastigheten kan beregnes ved å dele 3,6 x IO<6>med kontakttiden i millisek., som begge defineres ved STP 0°C og 1 atm. Reaktorvolumet som anvendes i alle volumetriske varmefluksberegninger omfatter hele kjernereaktorvolumet som har inkludert alle reformeringsanordningskanaler, inkludert katalysatorer, alle metallsteg mellom reforme-ringsanordnings- og forbrenningskammerkanaler, samt alle forbrenningskanaler som anvendes for å tilføre varme. Den eksterne pakking er ikke inkludert, idet dette volum ikke bidrar til transporten av varme mellom de 2 fluidstrømmer. Gas space velocity per hour is defined as the number of SMR reactor core gas volumes (defined at 0°C and 1 atm) that will pass through SMR catalyst containing channels every hour. The space velocity can be calculated by dividing 3.6 x IO<6> by the contact time in milliseconds, both of which are defined at STP 0°C and 1 atm. The reactor volume used in all volumetric heat flux calculations includes the entire core reactor volume which has included all reformer channels, including catalysts, all metal steps between reformer and combustor channels, as well as all combustion channels used to supply heat. The external packing is not included, as this volume does not contribute to the transport of heat between the 2 fluid streams.

Forsøksmetode Experimental method

En flerkanalreaktor med høy varmefluks og med integrert forbrenning ble utformet, fremstilt og testet. Reaktorlegemet ble fremstilt av «Inconel» 625 under anvendelse av streng-EDM for å utforme spor i en 2,5 cm x 3,48 cm x 4,3 cm massiv blokk av metall. Eksterne dekkplater som var utstyrt med innløps- og utløpsgassforgreningsrør (dvs. forgreningskammer og samlekammer) ble uavhengig av hverandre maskinert og sveiset på legemet. Hvert forgreningskammer var utformet til å fordele strømmen jevnt fra kanal til kanal, og inne i hver kanal. En tegning av det ytre av denne anordning er vist i Fig. 19a og omfatter et luftinnløp 102, et hydrogeninnløp 104, et reformeringsanordningsmateinnløp 106, et A multichannel reactor with high heat flux and with integrated combustion was designed, manufactured and tested. The reactor body was fabricated from "Inconel" 625 using string EDM to form grooves in a 2.5 cm x 3.48 cm x 4.3 cm solid block of metal. External cover plates fitted with inlet and outlet gas manifolds (ie manifold and header) were independently machined and welded to the body. Each branching chamber was designed to distribute the flow evenly from channel to channel, and within each channel. A drawing of the exterior of this device is shown in Fig. 19a and comprises an air inlet 102, a hydrogen inlet 104, a reformer feed inlet 106, a

reformeringsanordningsprodukt-utløp 108, samt et forbrenningskammerutløp 110. For test-formål ble temperaturovervåking utført med termoelementer 112. Alle de små rør 112 i Fig. 19 er termoelementrør. Fig. 19b og 19c viser utspilte riss av den integrerte reformeringsanord-ning. Luft mates inn i et forgreningskammer 114 og fordeles ved jevnt trykk inn i slisser 116 med jevnt trykk gjennom hver sliss. Tilsvarende mates hydrogen inn gjennom innløpet 104 og med jevnt trykk inn i hvert rør inn i slissede rør 118. Rørene 118 rager fra hydrogeninnløpet inn i en for- reformer product outlet 108, as well as a combustion chamber outlet 110. For test purposes, temperature monitoring was performed with thermocouples 112. All the small tubes 112 in Fig. 19 are thermocouple tubes. Fig. 19b and 19c show exploded views of the integrated reforming device. Air is fed into a branching chamber 114 and distributed by uniform pressure into slits 116 with uniform pressure through each slit. Correspondingly, hydrogen is fed in through the inlet 104 and with uniform pressure into each tube into slotted tubes 118. The tubes 118 protrude from the hydrogen inlet into a

greningsledning 120. Skjematiske riss av en gassblander 125 er vist i Fig. 19d og 19e (som ikke er tegnet i målestokk). Fremspring 127 avgrenser en spalte 129 for luftstrøm. Hydrogen som strømmer ut av slisser 131 passerer gjennom en kanal 133 og blandes med luft i forbrenningskammeret 122 inne i reaktorlegemet 124. Som det kan ses, blander denne utforming luft og brensel inne i forbrenningskammeret og meget nær en forbrenningskatalysator 137, og unngår derved varmetap fra forbrenning utenfor forbrenningskammeret. Rå-stoff for dampreformeringsanordningen mates inn i et inn-løpsfordelingskammer 130 og passerer med jevnt trykk inn i fronten av dampreformeringsanordningskamrene. Et riss av reformatstrømmen gjennom et individuelt kammer 132 er vist i Fig. 20. Plater 134 har støtter 136 som trykker reformeringskatalysatoren an mot toppen og bunnen av reforme-ringskammeret. branch line 120. Schematic views of a gas mixer 125 are shown in Figs. 19d and 19e (which are not drawn to scale). Projection 127 defines a gap 129 for air flow. Hydrogen flowing out of slits 131 passes through a channel 133 and mixes with air in the combustion chamber 122 inside the reactor body 124. As can be seen, this design mixes air and fuel inside the combustion chamber and very close to a combustion catalyst 137, thereby avoiding heat loss from combustion outside the combustion chamber. Feedstock for the steam reformer is fed into an inlet distribution chamber 130 and passes at uniform pressure into the front of the steam reformer chambers. An outline of the reformate flow through an individual chamber 132 is shown in Fig. 20. Plates 134 have supports 136 which press the reforming catalyst against the top and bottom of the reforming chamber.

Hovedlegemet til anordningen i Eks. 4 var helt likt hovedlegemet til anordningen i Eks. 3 med unntak av at det var 4 færre SMR-kanaler og 4 færre forbrenningskanaler, og katalysatorens lengde i strømningsretningen var bare 2,5 cm i stedet for 3,5 cm. Dimensjonene på SMR-slissene var 0,89 mm tykkelse, 17,8 mm bredde og 25,4 mm lengde. Det var 6 SMR-slisser. Dimensjonene på forbrenningsslissene var 0,97 mm tykkelse, 17,8 mm bredde og 25,4 mm lengde. Det var 5 forbrenningskanaler. Kanalene var anbrakt slik at den ytterste kanal var en reformeringsanordningshalvkanal opp til en forbrenningskanal, deretter opp til en full reformeringsanordningskanal osv., på samme måte som i anordningen i Eks. 3. Reformeringsanordningshalvkanalen var 0,46 mm tykk, 17,8 mm bred og 25,4 mm lang. Halvkanalen inneholdt bare én katalysatorinnsats, som var anbrakt opp til veggen som var felles med forbrenningskanalen. De fulle reformeringsanordningskanaler inneholdt 2 konstruerte katalysatorer som var anbrakt opp til hver kanalvegg. The main body of the device in Ex. 4 was completely similar to the main body of the device in Ex. 3 except that there were 4 fewer SMR channels and 4 fewer combustion channels, and the length of the catalyst in the direction of flow was only 2.5 cm instead of 3.5 cm. The dimensions of the SMR slits were 0.89 mm thickness, 17.8 mm width and 25.4 mm length. There were 6 SMR slots. The dimensions of the combustion slits were 0.97 mm thickness, 17.8 mm width and 25.4 mm length. There were 5 combustion channels. The channels were arranged so that the outermost channel was a half-reformer channel up to a combustion channel, then up to a full reformer channel, etc., in the same way as in the device in Ex. 3. The reformer half channel was 0.46 mm thick, 17.8 mm wide and 25.4 mm long. The half-channel contained only one catalyst insert, which was placed up to the wall shared with the combustion channel. The full reformer channels contained 2 engineered catalysts that were positioned up to each channel wall.

Strømmene i de eksoterme- og endoterme reaksjonskanaler er i den samme retning (felles strøm), selv om i denne utforming strømmen i reformeringsanordningen kommer inn i- og forlater i en retning vinkelrett på strømnings-retningen under reaksjonen for å oppta forgreningsforbin-delsene på en annen flate av anordningen, enn forbrennings-strømforgreningen, slik det ble gjort med anordningen i Eks. 3. Legg merke til at den katalytiske forbrenning mest sannsynlig var ledsaget av noen homogen forbrenning i for-bistrømningsspalten. Under testing ble anordningen isolert med isolasjon med keramiske fibrer. 2 utgaver av reaktoren ble fremstilt og testet, hvorved det ble oppnådd en kombinert tid med strømning for over 300 t. The flows in the exothermic and endothermic reaction channels are in the same direction (joint flow), although in this design the flow in the reformer enters and leaves in a direction perpendicular to the direction of flow during the reaction to occupy the branch connections on a other surface of the device, than the combustion flow branching, as was done with the device in Ex. 3. Note that the catalytic combustion was most likely accompanied by some homogeneous combustion in the by-flow gap. During testing, the device was insulated with ceramic fiber insulation. 2 versions of the reactor were manufactured and tested, whereby a combined time with flow of over 300 h was achieved.

Både den endoterme reaksjon (forbrenning) og de eksoterme (SMR)-reaksjoner ble katalysert ved hjelp av katalysatorinnsatser 134, 14, som målte 0,028 cm x 1,8 cm x 2,5 cm og som ble holdt an mot kanalveggene ved hjelp av 1,3 cm brede strimler av «Inconel» 625 metall innsatt i forbistrømningsspalten langs hver kant og ned mot midten [134 og 136 i Fig. 19b er henholdsvis katalysatoren og av-standsstykkene i dampmetanreformeringsanordningen. 14 er forbrenningskatalysatoren. Det er ekvivalente avstands-stykker mellom forbrenningskatalysatorer (ikke vist)]. Forbistrømningsspaltene i hver forbrenningskanal var ca. 0,41mm høye, mens forbistrømningsspaltene i kanalene i dampmetanreformeringsanordningen var ca. 0,33mm høye og ca. 0,2mm høye for henholdsvis full- og halvkapasitetskanalene. De ytterste kanalene i dampreformeringsanordningen hadde en slik størrelse at de hadde halve strømmen av strømmen i de indre kanaler, idet de ytre kanaler bare mottok halvparten av varmen. Tykkelsen på disse ytterste kanaler var ca. Both the endothermic (combustion) and exothermic (SMR) reactions were catalyzed by catalyst inserts 134, 14, which measured 0.028 cm x 1.8 cm x 2.5 cm and were held against the channel walls by 1 .3 cm wide strips of "Inconel" 625 metal inserted in the bypass gap along each edge and down towards the center [134 and 136 in Fig. 19b are respectively the catalyst and the spacers in the steam methane reformer. 14 is the combustion catalyst. There are equivalent spacers between combustion catalysts (not shown)]. The by-flow gaps in each combustion channel were approx. 0.41 mm high, while the bypass gaps in the channels in the steam methane reformer were approx. 0.33mm high and approx. 0.2mm high for the full and half capacity channels respectively. The outermost channels in the steam reformer were of such a size that they had half the flow of the flow in the inner channels, the outer channels only receiving half the heat. The thickness of these outermost channels was approx.

0,46mm, og de inneholdt en 0,28mm katalysator. Katalysatorene 8 og 11 (Fig. 19b) ble innført med presspasning langs hver side av hver kanal i dampmetanreformeringsanordningen for å dirigere strømmen inn i- og ut av inn-løpsfordelingskammerarealene og utløpssamlekammerarealene og hindre forbipassering av katalysatoren på utsiden av forbistrømningsspalten. Hver av de ytterste kanaler hadde katalysator bare mot den innerste vegg og var utformet for å tillate bare halve strømmen å strømme gjennom en full kanal ved et gitt trykkfall. 0.46mm, and they contained a 0.28mm catalytic converter. Catalysts 8 and 11 (Fig. 19b) were introduced with a press fit along each side of each channel in the steam methane reformer to direct the flow into and out of the inlet distribution chamber areas and the outlet collection chamber areas and to prevent bypassing of the catalyst on the outside of the bypass gap. Each of the outer channels had catalyst only against the innermost wall and was designed to allow only half the flow to flow through a full channel at a given pressure drop.

Gassformede reaktanter ble målt fra trykksylindre via Brook's massestrømningsregulatorer, mens vann ble levert via høytrykksvæskepumper. Et eksternt forbrenningskammer og et eksternt varmevekslernettverk ble anvendt for å fordampe matevannet kontinuerlig, forvarme dampreformeringsreak-tantene til ca. 800-845°C, samt å forvarme forbrenningsluften til ca. 500-650°C. Temperaturer i anordningen ble målt i termobrønner (boret i utvalgte stag mellom kanalene) under anvendelse av 0,08 cm termoelementer av type K og registrert med «Labview» med et dataloggingssystem. Innløps- og utløpsgassenes trykk ble målt for forbrennings-og reformeringsstrømmene via kalibrerte trykktransduktorer. Gasstemperaturer ble også målt ved termoelement ved for-brenningsgassinnløpet- og utløpet, samt ved reformerings-anordningsgassinnløpet- og utløpet. Produktgassene ble av-kjølt i vannkjølte kondensatorer, og den tørre volumetriske utløpsstrøm ble målt i en tørrtestmåler. Tørre produktgasser (H2, CO, C02, CH4, 02og N2) ble målt under anvendelse av en online-MTI gasskromatograf. Dampreformerings-anordningens beteende ble eluert under anvendelse av et molart forhold mellom damp og karbon 2:2. Gassromhastighet pr. t (GHSV) ble beregnet basert på det totale kanalvolum hvori strøm ble eksponert for katalysator (omfattende kata lysatoren, avstandsstrimlene og forbistrømningsvolum) basert på volumetriske strømmer definert ved 0°C og 1 atm. Varmefluks ble beregnet ved bestemmelse av mengden varme som ble transportert inn i den endoterme dampreformerings-reaks jon. For en kjent molar strømningshastighet av reformeringsreaktant måles en kjent mengde omdannelse ved hjelp av gasskromatografianalyse av det utstrømmende materialets sammensetning og utgangsproduktets strømnings-hastighet. Ut fra det totale antall mol som omdannes, beregnes den totale varme som er nødvendig. Varmefluksverdier ble beregnet som et gjennomsnitt over hele veggarealet i kontakt med SMR-katalysatoren. Beregnede gjennomsnittlige varmefluksverdier var basert bare på den nødvendige SMR-reaksjonsvarmen for den målte SMR-omdannelse og selektivitet. Beregnede volumetriske varmefluksverdier var basert på hele volumet som inneholdt både reformerings- og forbrenningskatalysatorer og respektive spalter, inkludert veggene mellom kanalene, men ikke inkludert noe omkretsmetall. Dette volum er inkludert det totale volum, hvorigjennom varme transporteres mellom de 2 fluider. Gaseous reactants were metered from pressure cylinders via Brook's mass flow controllers, while water was delivered via high-pressure liquid pumps. An external combustion chamber and an external heat exchanger network were used to continuously vaporize the feed water, preheat the steam reforming reactants to approx. 800-845°C, as well as preheating the combustion air to approx. 500-650°C. Temperatures in the device were measured in thermowells (drilled in selected struts between the channels) using 0.08 cm thermocouples of type K and recorded with "Labview" with a data logging system. The inlet and outlet gas pressures were measured for the combustion and reforming streams via calibrated pressure transducers. Gas temperatures were also measured by thermocouple at the combustion gas inlet and outlet, as well as at the reformer gas inlet and outlet. The product gases were cooled in water-cooled condensers, and the dry volumetric outlet flow was measured in a dry test meter. Dry product gases (H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , O 2 and N 2 ) were measured using an online MTI gas chromatograph. The behavior of the steam reformer was eluted using a 2:2 steam to carbon molar ratio. Gas space velocity per t (GHSV) was calculated based on the total channel volume in which flow was exposed to catalyst (including the catalyst, spacer strips and bypass volume) based on volumetric flows defined at 0°C and 1 atm. Heat flux was calculated by determining the amount of heat that was transported into the endothermic steam reforming reaction. For a known molar flow rate of reforming reactant, a known amount of conversion is measured by means of gas chromatography analysis of the composition of the outflowing material and the flow rate of the starting product. From the total number of moles that are converted, the total heat required is calculated. Heat flux values were calculated as an average over the entire wall area in contact with the SMR catalyst. Calculated average heat flux values were based only on the required SMR heat of reaction for the measured SMR conversion and selectivity. Calculated volumetric heat flux values were based on the entire volume containing both reforming and combustion catalysts and respective slots, including the walls between the channels, but not including any peripheral metal. This volume includes the total volume through which heat is transported between the 2 fluids.

Katalysatorer ble redusert den første dag med testing ved 125°C ilt. Oppstarting av den integrerte forbrenningsreaktor ble utført i adskillige trinn. Først ble en inert strøm (nitrogen, 1-5 SLPM) initiert i kanalene både i forbrenningskammeret og reformeringsanordningen. Deretter ble et eksternt forbrenningskammer initiert for å frembringe en varm strøm av forbrenningsprodukter som var til-strekkelige til å transportere varme i denne eksterne varmeveksler til å fordampe vann som er nødvendig for reformeringsreaksjonen og tilføre nødvendig reaktant forvarming. Deretter ble nitrogenstrømmen til forbrenningskammeret avstengt, og luftstrøm ble initiert. Hydrogen ble deretter innført i forbrenningskanalene som ca. 3% av den totale strøm, noe som forårsaket katalytisk tenning av forbrenningsreaktantene. Deretter ble hydrogeninnholdet langsomt økt for å bringe reaktortemperaturen til ca. 700°C. Deretter ble en liten hydrogenstrøm innført i kanalene i reformeringsanordningen for å hindre katalysatoroksidasjon med damp, og vann ble matet gjennom fordamperen for derved å tilføre damp til kanalene i reformeringsanordningen. Til slutt ble nitrogen til reformeringsanordningen avstengt, metan ble innført til reformeringsanordningen, og hydrogen til reformeringsanordningen avstengt. Etter at reforme-ringsreaks jonen startet, ble ytterligere hydrogen tilført til forbrenningskanalene for å opprettholde reaktortemperaturen på mellom 750 og 850°C. Forandringer i prosess-strømmer utført under drift i stabil tilstand ble utført på en balansert måte (samtidig forandring både av reformerings- og forbrenningsstrømmene) for å hindre store forbigående avvik av temperaturen i den integrerte forbrenningsreaktor fra den ønskede driftstemperatur. Forbrenning ble utført i FDR med så lave overskuddsluftverdier som 13%. Catalysts were reduced on the first day of testing at 125°C oxygen. Start-up of the integrated combustion reactor was carried out in several stages. First, an inert stream (nitrogen, 1-5 SLPM) was initiated in the channels in both the combustor and the reformer. Next, an external combustion chamber was initiated to produce a hot stream of combustion products sufficient to transport heat in this external heat exchanger to vaporize water necessary for the reforming reaction and provide necessary reactant preheating. Then, the nitrogen flow to the combustion chamber was shut off, and air flow was initiated. Hydrogen was then introduced into the combustion channels as approx. 3% of the total current, which caused catalytic ignition of the combustion reactants. Then the hydrogen content was slowly increased to bring the reactor temperature to approx. 700°C. A small stream of hydrogen was then introduced into the channels of the reformer to prevent catalyst oxidation by steam, and water was fed through the evaporator to thereby supply steam to the channels of the reformer. Finally, nitrogen to the reformer was shut off, methane was introduced to the reformer, and hydrogen to the reformer was shut off. After the reforming reaction started, additional hydrogen was added to the combustion channels to maintain the reactor temperature between 750 and 850°C. Changes in process streams carried out during steady state operation were carried out in a balanced way (simultaneous change of both the reforming and combustion streams) to prevent large transient deviations of the temperature in the integrated combustion reactor from the desired operating temperature. Combustion was carried out in FDR with excess air values as low as 13%.

Denne anordningen ble drevet nær atmosfærisk trykk både i reformerings- og forbrenningsreaksjonen. Det typiske driftstrykk på reformeringssiden var ca. 0,07 kg/cm<2>(10 psig). Det typiske driftstrykk for forbrenningssiden var ca. 0,07 kg/cm<2>. Luft- og brenselinnløpstrykk var lignende. This device was operated near atmospheric pressure in both the reforming and combustion reactions. The typical operating pressure on the reforming side was approx. 0.07 kg/cm<2> (10 psig). The typical operating pressure for the combustion side was approx. 0.07 kg/cm<2>. Air and fuel inlet pressures were similar.

Resultater og diskusjon Results and discussion

Resultater av testing under anvendelse av den integrerte forbrenningsmikrokanalreaktor med høy varmefluks er vist i Tabell 5 og figurene 21-24. Metanomdannelse nærmer seg likevektsomdannelse og selektivitet overfor karbonmonoksid og hydrogen sågar ved meget høye romhastigheter (opp til 10<6>hr"\ se Fig. 21) . Results of testing using the high heat flux integrated combustion microchannel reactor are shown in Table 5 and Figures 21-24. Methane conversion approaches equilibrium conversion and selectivity towards carbon monoxide and hydrogen even at very high space velocities (up to 10<6>hr"\ see Fig. 21).

NOx-målinger ble utført av den tørre forbrennings-avløpsstrøm med testing av anordningen i Eks. 4 under de betingelser som er vist under Test 2 i Tabell 5. Konsen-trasjonen av N0Xsom ble målt under denne betingelse (4,7 NOx measurements were made of the dry combustion effluent stream with testing of the device in Ex. 4 under the conditions shown under Test 2 in Table 5. The concentration of NOX which was measured under this condition (4.7

SLPM H2, 20 SLPM-luft, 850° hoveddeltemperatur) i det tørre avløp var 10-12 ppm. Dette er sammenlignbart med NOx-nivåer som overstiger 100 ppm i konvensjonelle metanstrømrefor-meringsanordninger. Dette måling kalles her «standard NOx-testmålingen» . SLPM H2, 20 SLPM air, 850° core temperature) in the dry effluent was 10-12 ppm. This is comparable to NOx levels exceeding 100 ppm in conventional methane stream reformers. This measurement is called here the "standard NOx test measurement".

Resultater fra testene hvor mengden overskuddsluft på forbrenningssiden ble variert, viser at den integrerte forbrenningsreaktor med høy varmefluks er i stand til å funksjonere effektivt med 20% overskuddsluft (se Fig. 22). Dette betyr at forbrenningsluftbehovet og tilhørende luft-kompressorkostnader og luftrestitusjonsfunksjon kan minskes sterkt i forhold til tradisjonelle katalytiske forbrenningskamre . Results from the tests where the amount of excess air on the combustion side was varied show that the integrated combustion reactor with high heat flux is able to function efficiently with 20% excess air (see Fig. 22). This means that the combustion air requirement and associated air compressor costs and air recovery function can be greatly reduced compared to traditional catalytic combustion chambers.

Den volumetriske varmefluks (dvs. energien som transporteres til den endoterme reaksjon pr. enhetsvolum av reaktor) reflekterer kompaktheten eller graden av intensi-fisering av prosessen. De høye verdier for volumetrisk varmefluks som er vist i Fig. 24 viser denne anordnings evne til å drive varme (sirkler, venstre akse) inn i den endoterme reaksjon med et mye mindre reaktor- (og katalysator) -volum og minimalt trykkfall (trekanter, høyre akse). De høyeste volumetriske varmeflukser som ble iakttatt i den integrerte reaktor med høy varmefluks (Fig. 24) er 200-1000 ganger høyere enn de som typisk ses i konvensjonelle reformeringsanordninger. Det mye lavere reaktorvolum antyder potensial for vesentlige besparelser i reaktormaterialer og katalysatorkostnader pr. enhetsvolum fremstilt syntesegass. The volumetric heat flux (ie the energy transported to the endothermic reaction per unit volume of reactor) reflects the compactness or degree of intensification of the process. The high volumetric heat flux values shown in Fig. 24 demonstrate the ability of this device to drive heat (circles, left axis) into the endothermic reaction with a much smaller reactor (and catalyst) volume and minimal pressure drop (triangles, right axis). The highest volumetric heat fluxes observed in the high heat flux integrated reactor (Fig. 24) are 200-1000 times higher than those typically seen in conventional reformers. The much lower reactor volume suggests the potential for substantial savings in reactor materials and catalyst costs per unit volume of synthesis gas produced.

Konklusj oner Conclusions

Det ble utformet, fremstilt og testet en integrert forbrenningsmikrokanalreaktor som kan oppnå høye metan-omdannelser ved så høye varmeflukser som 29 W/cm<2>og volumetriske varmeflukser på 118 W/cm<3>ved trykkfall på under ca. 0,3 kg/cm<2>og ca. 0,35kg/cm<2>i henholdsvis re-formeringsanordnings- og forbrenningskammersidene med trykkfall på mindre enn ca. 0,11 kg/cm<2>og 0,14 kg/cm<2>i henholdsvis reformeringsanordningssiden og forbrenningskammersiden pr. cm reaktorstrømlengde. Nær likevekstmetan- omdanninger (73-98%) ble oppnådd i denne mikrokanalanordning ved meget høye gassromhastigheter pr. time (1,3 x IO<5>- 1,0 x IO<6>) ved damp:C, ca. 1 atm og 850°C gjennomsnittlig veggtemperatur. Mikrokanalreaktoren med høy varmefluks viste seg å være i stand til å arbeide med så lite over-skuddsforbrenningsluft som 20%. An integrated combustion microchannel reactor was designed, manufactured and tested which can achieve high methane conversions at heat fluxes as high as 29 W/cm<2> and volumetric heat fluxes of 118 W/cm<3> at pressure drops below approx. 0.3 kg/cm<2> and approx. 0.35kg/cm<2> in the reformer and combustion chamber sides, respectively, with a pressure drop of less than approx. 0.11 kg/cm<2>and 0.14 kg/cm<2>in the reforming device side and the combustion chamber side, respectively, per cm reactor current length. Close to equilibrium methane conversions (73-98%) were achieved in this microchannel device at very high gas space velocities per hour (1.3 x IO<5>- 1.0 x IO<6>) at steam:C, approx. 1 atm and 850°C average wall temperature. The high heat flux microchannel reactor proved capable of operating with as little as 20% excess combustion air.

Eksempel 5 Example 5

Det ble utformet, fremstilt og vist en integrert forbrenningsmikrokanalreaktor med fordelt brenselinnføring og en tverrstrøms reformerings- og forbrenningsstrømorien-tering. I dette eksempel beskrives utformingen og testingen av denne mikrokanalreaktor. Forbrenning av hydrogen i luft ble benyttet som den eksoterme reaksjon, mens dampmetan-reformering (SMR) ved et forhold mellom damp og karbon på 3:1 ble benyttet som den endoterme reaksjon. Anordningen omfattet en eneste SMR-forbistrømningskanal med 3 for-brenningsforbistrømningskanaler i en krysningsstrøms-orientering i forhold til SMR-kanalen. SMR-reaktantene strømmet i en 0,13 mm spalte mellom veggen og et lag porøs konstruert katalysator, som var intim varmekontakt med den faste kanalvegg eller varmetransportflate. Forbrenningsluft strømmet i 3 parallelle, 2,5 mm sylindriske kanaler, hver med forbrenningskatalysator belagt på veggen. På 3 punkter som var fordelt jevnt langs forbrenningskanalenes strøm-ningslengde ble hydrogenbrensel injisert i forbrenningskanalen. Hver forbrenningskanal inneholdt også en statisk blander fremstilt av 0,5 mm «Inconel»-platemateriale som var forsynt med innsnitt og snodd. Testresultatene viser at denne integrerte forbrenningsanordning med tverrstrøm kan oppnå høye varmeflukser (ca. 15 W/cm2) . Høye omdannelser var også mulige ved meget høye romhastigheter. An integrated combustion microchannel reactor with distributed fuel introduction and a cross-flow reforming and combustion flow orientation was designed, manufactured and demonstrated. In this example, the design and testing of this microchannel reactor is described. Combustion of hydrogen in air was used as the exothermic reaction, while steam methane reforming (SMR) at a steam to carbon ratio of 3:1 was used as the endothermic reaction. The device comprised a single SMR by-flow channel with 3 combustion by-flow channels in a cross-flow orientation relative to the SMR channel. The SMR reactants flowed in a 0.13 mm gap between the wall and a layer of porous engineered catalyst, which was in intimate thermal contact with the fixed channel wall or heat transport surface. Combustion air flowed in 3 parallel, 2.5 mm cylindrical channels, each with combustion catalyst coated on the wall. At 3 points that were distributed evenly along the flow length of the combustion channels, hydrogen fuel was injected into the combustion channel. Each combustion channel also contained a static mixer made from 0.5 mm "Inconel" sheet material which was provided with notches and twists. The test results show that this integrated cross-flow combustion device can achieve high heat fluxes (approx. 15 W/cm2). High conversions were also possible at very high space velocities.

Forsøksmetode Experimental method

Det ble utformet, fremstilt og testet en tverrstrøms mikrokanalanordning med integrert forbrenning. Anordnings-legemet (se Fig. 25) ble fremstilt av «Inconel» 625 under anvendelse av streng-EDM og konvensjonell maskinering for å fremstille både en SMR-plate 202 (ca. 0,6 cm tykk) og en forbrenningsplate 200 (1,1 cm tykk), som hver var ca. 5,8 cm x 3,0 cm. Konstruert SMR ble deretter anbrakt inne i SMR-kanalen mellom platene, og de 2 stykkene ble sveiset sammen for å forsegle anordningen. 4 opphøyde områder, som hvert var 1,3 cm bredt og 1,1 cm langt ble fordelt jevnt over SMR-kanalen for å holde katalysatoren an mot veggen (varmetransportflate). SMR-katalysatoren målte 3,8 cm x 0,03 cm tykkelse og ble anbrakt i en sliss av samme dimensjon med unntakelse av at slissens tykkelse var ca. 0,04 cm. Eksterne dekkplater som inneholdt innløps- og utløps-gassforgreningsledningene (dvs. innløpsforgreningskamrene, og utløpssamlekamrene) ble maskinert uavhengig av hverandre og sveiset på legemet med unntak av forbrenningsbrensel-innløpene, som ble matet gjennom 3 separate innløpsrør. SMR-innløpsforgreningskammeret ble utformet for å fordele og strømme jevnt tvers over den 3,8 cm katalysatorbredden før strømning inn i 0,13 cm-forbistrømningsspalten. Forbrenningsluft strømmet i de 0,3 cm diameter, sylindriske forbistrømningskanaler i en tverrstrømsorientering i forhold til SMR- kanalen. Forbrenningsluft ble blandet med hydrogenbrensel og innført fra den motstående vegg i 3 parallelle 2,5 cm sylindriske kanaler som hver hadde forbrenningskatalysator belagt på veggen. På 3 punkter som var fordelt hver 0,13 cm langs strømningslengden i hver kanal, ble hydrogenbrensel innført i forbrenningskanalen gjennom 0,003 cm hull. En statisk blander fremstilt av 0,5 mm «Inconel»-arkmateriale som var utstyrt med innsnitt og snodd, ble innført i hver forbrenningskanal, noe som økte blanding av luften og brenslet inne i hver kanal. Forbrenningskatalysator ble belagt på den statiske blander og på veggen i forbrenningskanalene for å fremme katalytisk forbrenning av brensel/luftblandingen. Under testing var anordningen isolert med isolasjon av keramiske fibrer. A cross-flow microchannel device with integrated combustion was designed, manufactured and tested. The device body (see Fig. 25) was fabricated from Inconel 625 using string EDM and conventional machining to fabricate both an SMR plate 202 (approximately 0.6 cm thick) and a combustion plate 200 (1, 1 cm thick), each of which was approx. 5.8 cm x 3.0 cm. Engineered SMR was then placed inside the SMR channel between the plates and the 2 pieces were welded together to seal the device. 4 raised areas, each 1.3 cm wide and 1.1 cm long were distributed evenly over the SMR channel to hold the catalyst against the wall (heat transfer surface). The SMR catalyst measured 3.8 cm x 0.03 cm thick and was placed in a slot of the same dimension except that the slot's thickness was approx. 0.04 cm. External cover plates containing the inlet and outlet gas manifolds (ie the inlet manifolds, and the outlet manifolds) were machined independently and welded to the body with the exception of the combustion fuel inlets, which were fed through 3 separate inlet tubes. The SMR inlet manifold was designed to distribute and flow uniformly across the 3.8 cm catalyst width prior to flow into the 0.13 cm bypass gap. Combustion air flowed in the 0.3 cm diameter, cylindrical bypass channels in a cross-flow orientation relative to the SMR channel. Combustion air was mixed with hydrogen fuel and introduced from the opposite wall into 3 parallel 2.5 cm cylindrical channels, each of which had combustion catalyst coated on the wall. At 3 points spaced every 0.13 cm along the flow length in each channel, hydrogen fuel was introduced into the combustion channel through 0.003 cm holes. A static mixer made of 0.5 mm "Inconel" sheet material equipped with notches and twists was introduced into each combustion channel, which increased mixing of the air and fuel inside each channel. Combustion catalyst was coated on the static mixer and on the wall of the combustion channels to promote catalytic combustion of the fuel/air mixture. During testing, the device was insulated with ceramic fiber insulation.

Gassformige reaktanter ble innmålt fra trykksylindre via Brook's massestrømningsregulatorer, mens vann ble levert med en høytrykksvasskepumpe (HPLC). Et eksternt forbrenningskammer og varmevekslernettverk ble anvendt for å fordampe matevannet kontinuerlig, forvarme dampreforme-ringsreaktanter og forbrenningsluft til de verdier som er vist i tabellen nedenfor. Anordningslegemetemperaturer ble målt i termobrønner (boret i yttersiden av forbrennings-platen) under anvendelse av 0,81 mm termoelementer av typen K og registrert med hjelp av et Labview med et dataloggingssystem. Innløps- og utløpsgass ble målt for forbrennings- og reformeringsstrømmene via kalibrerte trykktransduktorer. Gasstemperaturer ble også målt via termoelementer i forbrenningsinnløpet- og utløpet og i refor-meringsanordningsgassinnløpet- og utløpet. Produktgassene ble avkjølt i vannkjølte kondensatorer, og den tørre, volumetriske utløpsstrøm ble målt i en tørrtestmåler. Tørre produktgasser (H2, CO, C02, CH4, 02og N2) ble målt under anvendelse av online-MTI gasskromatograf. SMR-beteendet ble evaluert ved anvendelse av et 2:1 molart forhold mellom damp og karbon. Gassromhastighet pr. time (GHSV) ble beregnet basert på det totale kanalvolum hvori strømning var eksponert for katalysator (omfattende katalysatoren, avstandsstrimler og forbistrømningsvolum) basert på volumetriske strømmer definert ved 0°C og 1 atm. Gjennomsnittlig varmefluks ble kalkulert basert på hele veggarealet i kontakt med SMR-katalysator og opp til planet under for-brenningssylindrene og definerer derfor planet hvorigjennom varmen transporteres mellom fluider. Gaseous reactants were metered from pressure cylinders via Brook's mass flow controllers, while water was supplied by a high pressure washer (HPLC) pump. An external combustion chamber and heat exchanger network was used to continuously evaporate the feed water, preheat steam reforming reactants and combustion air to the values shown in the table below. Device body temperatures were measured in thermowells (drilled into the outside of the combustion plate) using 0.81 mm type K thermocouples and recorded using a Labview with a data logging system. Inlet and outlet gas were measured for the combustion and reforming streams via calibrated pressure transducers. Gas temperatures were also measured via thermocouples in the combustion inlet and outlet and in the reformer gas inlet and outlet. The product gases were cooled in water-cooled condensers, and the dry volumetric outlet flow was measured in a dry test meter. Dry product gases (H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , O 2 and N 2 ) were measured using an online MTI gas chromatograph. The SMR behavior was evaluated using a 2:1 molar ratio of steam to carbon. Gas space velocity per hour (GHSV) was calculated based on the total channel volume in which flow was exposed to catalyst (including the catalyst, spacer strips and bypass volume) based on volumetric flows defined at 0°C and 1 atm. The average heat flux was calculated based on the entire wall area in contact with the SMR catalyst and up to the plane below the combustion cylinders and therefore defines the plane through which the heat is transported between fluids.

Kalysatorer ble redusert den første dag med testing ved 125°C ilt. Oppstarting av den lille superkanalen ble utført i flere trinn. Først ble nitrogenstrøm startet i SMR-siden, og luftstrøm ble initiert i forbrenningssiden. Hydrogen ble deretter innført i forbrenningskanalene som ca. 3% av den totale strøm, noe som forårsaket katalytisk tenning av forbrenningsreaktantene. Deretter ble hydrogeninnholdet langsomt økt for å bringe reaktortemperaturen til ca. 400°C. Deretter ble en liten hydrogenstrøm innført i reformeringskanalene for å hindre katalysatoroksidasjon med damp, og vann ble matet gjennom fordamperen og frembrakte derved damp til reformeringskanalene. Til slutt ble refor-meringsanordningsnitrogenet avstengt, metan ble innført i reformeringsanordningen, og hydrogen til reformeringsanordningen ble avstengt. Etter at reformeringsreaksjonen startet ble ytterligere hydrogen tilført til forbrenningskanalene for å opprettholde reaktorlegemetemperaturen på mellom 725 og ca. 875°C. Forandringer i prosess-strømmer ble ut-ført under drift i stabil tilstand på en balansert måte (forandring både av reformerings- og forbrenningsstrømmer samtidig) for å hindre store forbigående avvik av temperaturen fra den ønskede driftstemperatur. For å hjelpe til med analysen av hydrogenomdanning ble en kjøledamp på ca. Catalysts were reduced on the first day of testing at 125°C oxygen. Startup of the small super channel was carried out in several steps. First, nitrogen flow was started in the SMR side, and air flow was initiated in the combustion side. Hydrogen was then introduced into the combustion channels as approx. 3% of the total current, which caused catalytic ignition of the combustion reactants. Then the hydrogen content was slowly increased to bring the reactor temperature to approx. 400°C. A small stream of hydrogen was then introduced into the reformer channels to prevent catalyst oxidation by steam, and water was fed through the evaporator, thereby producing steam to the reformer channels. Finally, the reformer nitrogen was shut off, methane was introduced into the reformer, and hydrogen to the reformer was shut off. After the reforming reaction started, additional hydrogen was supplied to the combustion channels to maintain the reactor body temperature between 725 and approx. 875°C. Changes in process flows were carried out during steady-state operation in a balanced way (changing both reforming and combustion flows at the same time) to prevent large transient deviations of the temperature from the desired operating temperature. To assist with the analysis of hydrogen conversion, a cooling vapor of approx.

400°C noen ganger innført direkte i forbrenningssamlekam-meret. Dette var ikke meget effektivt til kjøling av forbrenningen i anordningens utløpssamlekammer, og økte varme-tapene vesentlig når den ble benyttet. 400°C sometimes introduced directly into the combustion chamber. This was not very effective for cooling the combustion in the device's outlet collecting chamber, and increased the heat losses significantly when it was used.

Resultater og diskusjon Results and discussion

Resultater av tester ved anvendelse av tverrstrømsintegrert forbrenningsmikrokanalreaktor er vist i tabellen nedenfor og Fig. 26. Viktige trekk som er vist, omfatter: katalysator påført direkte på vegg, statisk blander innført i reaksjonskammer, fordelt brensel, samt tverrstrømnings-orientering av forbrenningsfluider og reformat. Results of tests using a cross-flow integrated combustion microchannel reactor are shown in the table below and Fig. 26. Important features shown include: catalyst applied directly to the wall, static mixer introduced into the reaction chamber, distributed fuel, as well as cross-flow orientation of combustion fluids and reformate.

I alle tester var omdannelsen av hydrogen i forbren-ningsreaksjonskammeret 100%. In all tests, the conversion of hydrogen in the combustion reaction chamber was 100%.

Eksempel 6 Example 6

UTFORMING OG DRIFT DESIGN AND OPERATION

En integrert reformerings- og forbrenningsreaktor ble evaluert i en tverrstrømningsorientering. En enkelt SMR-sliss var opp til 3 forbrenningssylindre. An integrated reforming and combustion reactor was evaluated in a cross-flow orientation. A single SMR slot was up to 3 combustion cylinders.

SMR-katalysatoren ble anbrakt mot veggen som ble delt med forbrenningskanalene, som tilfører energien som under-holder den endoterme reformeringsreaksjon. SMR-kanalspalten var 0,38 mm, og en porøs SMR-katalysator på 0,03 mm ble innført, noe som ga en spalte på ca. 0,076 mm. Denne re-formeringskanals lengde var 11,4 mm og dens bredde var 12,7 mm. Forbrenningsseksjonen var dannet av 3 kanaler med diameter 0,254 cm i et plan som var parallelt med SMR-kanalene, men med dens strømningsbane rettet inn 90° mot strøm-men i SMR-kanalen, i tverrstrøm. Det var et ca. 1,27 mm steg av metall som skilte reformeringskanalen og toppen av de sylindriske forbrenningskanaler. Forbrenningssylindrenes strømningslengde var 12,7 mm, noe som tilsvarte refor-meringskanalens bredde på 12,7 mm for denne tverrstrøm-ningsorientering. Forbrenningskatalysatoren var fremstilt av en 0,025 cm tykk FeCrAlY-filt som var viklet rundt en 0,15 cm bred, og 0,051 cm tykk, statisk blanderinnsats. Mikseren hadde 2 funksjoner: The SMR catalyst was placed against the wall shared by the combustion channels, which supplies the energy that sustains the endothermic reforming reaction. The SMR channel gap was 0.38 mm, and a 0.03 mm porous SMR catalyst was introduced, giving a gap of approx. 0.076 mm. The length of this reforming channel was 11.4 mm and its width was 12.7 mm. The combustion section was formed by 3 channels of diameter 0.254 cm in a plane parallel to the SMR channels, but with its flow path aligned at 90° to the flow - but in the SMR channel, in cross flow. It was an approx. 1.27 mm metal step that separated the reforming channel and the top of the cylindrical combustion channels. The flow length of the combustion cylinders was 12.7 mm, which corresponded to the reformer channel width of 12.7 mm for this cross-flow orientation. The combustion catalyst was made from a 0.025 cm thick FeCrAlY felt wrapped around a 0.15 cm wide and 0.051 cm thick static mixer insert. The mixer had 2 functions:

1) å trykke filten an mot kammerveggene, og 1) pressing the felt against the chamber walls, and

2) å blande brenslet når luften passerte gjennom 2) to mix the fuel as the air passed through

filtens innvendige diameter. the inner diameter of the felt.

Den statiske blander ble også fremstilt på følgende The static mixer was also prepared on the following

måte: manner:

1. Den ca. 1,5 mm brede side ble skåret i 2 lengde-seksjoner på 12,7 mm adskilt av en 0,75 mm bredde som raget 0,96 mm i lengde. 2. Den første lengde på 12,7 mm ble snodd 90° fra dens begynnelsesorientering. 3. Den neste (og siste) 12,7 mm lengdeseksjons begynnelse ble dreid 90° mot enden av første 12,7 mm lengdeseksjon. 4. Enden av den andre 12,7 mm lange lengde ble snodd 90° i den motsatte retning av den første 12,7 mm lengdeseksjon. 1. The approx. The 1.5 mm wide side was cut into 2 length sections of 12.7 mm separated by a 0.75 mm width that protruded 0.96 mm in length. 2. The first length of 12.7 mm was twisted 90° from its initial orientation. 3. The beginning of the next (and last) 12.7 mm length section was turned 90° towards the end of the first 12.7 mm length section. 4. The end of the second 12.7 mm length was twisted 90° in the opposite direction of the first 12.7 mm length section.

Brenslet ble matet inn i hver forbrenningskanal ved innløpet av den sylindriske kanal fra bunnen av anordningen, eller på den motstående side av planet som skiller reformeringskanalen. Forbrenningsbrensel kommer inn 0,76 mm foran katalysatoren/den statiske blanderinnsats, som er innbrakt inne i den sylindriske forbrenningskanal, hver kanal med sin egen brenselport. The fuel was fed into each combustion channel at the inlet of the cylindrical channel from the bottom of the device, or on the opposite side of the plane separating the reforming channel. Combustion fuel enters 0.76 mm ahead of the catalyst/static mixer insert, which is brought inside the cylindrical combustion channel, each channel with its own fuel port.

Blokkanordningens totale dimensjoner i planet for kanalene er 41,9 mm tvers over i SMR-kanalretningen og 43,2 mm i forbrenningskanalretningen, sentrert over den 11,4 mm x 12,7 mm integrerte forbrenningsreformeringskjerne hvor reaksjonene foregår, og varme transporteres. Volumet hvorigjennom all varme transporteres og anvendes for be-regningene av volumetrisk varmefluks er 11,4 mm x 12,7 med mer x summen av 2,54 mm (forbrenningsdiameter) og 1,72 mm (metallsteg som skiller kanalene) og 0,38 mm (full re-formeringskanal), totalt 0,6 cm<3>(0,037 in<3>). Arealet eller planet hvorigjennom all varme transporteres er 11,4 mm x 12,7 mm, eller 145 cm<2>. Innløpsforgreningskammeret i prosessen var spesialfremstilt for å ha en jevn overgang fra innerdiameteren i et innløpsrør med innvendig diameter på 4,57 mm, til en 12,7 mm bred og 0,36 \ im høy sliss for å unngå koksdannelse og muliggjøre ytterligere forvarming fra anordningstap. Et utløpssamlekammer av samme utforming fører til utløpsrøret med 4,57 mm innvendig diameter. The overall dimensions of the block assembly in the plane of the channels are 41.9 mm across in the SMR channel direction and 43.2 mm in the combustion channel direction, centered over the 11.4 mm x 12.7 mm integrated combustion reforming core where the reactions take place and heat is transported. The volume through which all heat is transported and used for the calculations of volumetric heat flux is 11.4 mm x 12.7 plus x the sum of 2.54 mm (combustion diameter) and 1.72 mm (metal step separating the channels) and 0.38 mm (full reforming channel), total 0.6 cm<3>(0.037 in<3>). The area or plane through which all heat is transported is 11.4 mm x 12.7 mm, or 145 cm<2>. The inlet manifold in the process was custom made to have a smooth transition from the inside diameter of a 4.57mm inside diameter inlet pipe to a 12.7mm wide by 0.36µm high slot to avoid coking and allow for additional preheating from device losses . An outlet collection chamber of the same design leads to the outlet pipe with an internal diameter of 4.57 mm.

Denne dampmetan-reformeringsmikrokanalreaktor opprettholdt en trykkdifferanse på 11 atm absolutt ved 850°C mellom reformerings- og forbrenningskanalene. Metallsteget som skiller kanalene var 1,27 mm eller 1270 ^lm. Anordningen ble drevet i mer enn 13 dager, eller mer enn 300 t uten noen forandring i konstruksjonens integritet. Ingen lek-kasjer ble funnet mellom strømmene. Den høye trykkdifferanse mellom strømmene ble understøttet over et tynt metallsteg ved anvendelse av mikrokanal, særlig sirkelrunde mikrokanaler, under en høytrykksreformeringssliss. This steam methane reforming microchannel reactor maintained a pressure differential of 11 atm absolute at 850°C between the reforming and combustion channels. The metal step separating the channels was 1.27 mm or 1270 µm. The device was operated for more than 13 days, or more than 300 h without any change in structural integrity. No play caches were found between the streams. The high pressure difference between the streams was supported over a thin metal step using microchannels, particularly circular microchannels, under a high-pressure reforming slot.

Beteende Behaviour

Anordningen ble demonstrert for reformeringsreaksjonen ved 3:1 molart forhold mellom damp og karbon, 12 atmosfæres absolutt trykk og 850°C og 50 millisek. kontakttid. Anordningen produserte likevektsomdanning slik det ses i Fig. 27. Metanomdanning og CO-selektivitet avtok kontinerlig over tid i de neste 5 ^ dager. Betingelsene ble forandret til et molart forhold på 2:1 mellom damp og karbon, mens temperaturen, trykket og kontakttiden ble holdt konstant, og tapet av aktivitet fortsatte. Anordningen oppviste be-tydelige varmeflukser og gjennomsnittlige volumetriske varmeflukser som vist i Tabell 5. De første 2 linjer ved-rører forholdet 3:1 mellom damp og karbon ved 5,0 millisek. kontakttider, hvorved linje nr 1 vedrører begynnelsen på forsøket i Fig. 24 og nr 2 vedrører slutten på forsøket. Tilsvarende vedrører linjene nr 3 og nr 4 i tabellen nedenfor start- og slutt-beteendet for det molare forhold på 2:1 mellom damp og karbon ved 5 millisek. kontakttid, også vist i Fig. 27. Alle data reflekterer en SMR-reaktant-innløpstemperatur på fra 830-840°C. The device was demonstrated for the reforming reaction at 3:1 molar ratio of steam to carbon, 12 atmospheres absolute pressure and 850°C and 50 milliseconds. contact time. The device produced equilibrium conversion as seen in Fig. 27. Methane conversion and CO selectivity decreased continuously over time for the next 5 days. The conditions were changed to a 2:1 molar ratio of steam to carbon, while the temperature, pressure and contact time were kept constant, and the loss of activity continued. The device exhibited significant heat fluxes and average volumetric heat fluxes as shown in Table 5. The first 2 lines relate to the 3:1 ratio between steam and carbon at 5.0 milliseconds. contact times, whereby line no. 1 relates to the beginning of the experiment in Fig. 24 and no. 2 relates to the end of the experiment. Correspondingly, lines no. 3 and no. 4 in the table below relate to the start and end behavior for the molar ratio of 2:1 between steam and carbon at 5 milliseconds. contact time, also shown in Fig. 27. All data reflect an SMR reactant inlet temperature of from 830-840°C.

De tilsvarende innstillinger på forbrenningssiden til innstillingen i Tabell 5 er vist i Tabell 6. De reflekterer en konstant luftstrømningshastighet på 5,4 SLPM i 3 kanaler, og en noenlunde konstant hydrogenstrømningshastighet på nær 0,5 SLPM. The corresponding settings on the combustion side to the setting in Table 5 are shown in Table 6. They reflect a constant air flow rate of 5.4 SLPM in 3 channels, and a fairly constant hydrogen flow rate of close to 0.5 SLPM.

I alle tester var omdannelsen av hydrogen i forbren-ningsreaksjonskammeret 100%. In all tests, the conversion of hydrogen in the combustion reaction chamber was 100%.

Varmefluksmålingstest Heat flux measurement test

Drivanordningen for en metandampreformeringsreaksjon ved 850°C, 1,70 bar, forhold på 3:2 mellom damp og karbon og en kontakttid på 100 ms. Kontakttid defineres som det totale reaksjonsvolum dividert med den totale volumetriske innløpsstrømningshastighet av reaktanter ved standard temperatur og trykk (STP:273K og 1 atm absolutt). Det totale reaksjonsvolum er inkludert dampreformeringskata-lysatoren og reaksjonskanalvolumet som inneholder katalysatoren . The drive device for a methane steam reforming reaction at 850°C, 1.70 bar, 3:2 ratio of steam to carbon and a contact time of 100 ms. Contact time is defined as the total reaction volume divided by the total volumetric inlet flow rate of reactants at standard temperature and pressure (STP: 273K and 1 atm absolute). The total reaction volume includes the steam reforming catalyst and the reaction channel volume containing the catalyst.

F.eks. vil dersom den kumulative volumetriske sum av reaksjonskammere inkludert reformeringskatalysatorer er 1 cm<3>, den totale innløpsstrømningshastighet av reaktanter være 0,6 standard 1 pr. min. Innløpshastigheten for metan vil være 0,15 standard 1 pr. min., og innløpsstrømningshas-tigheten for damp vil beregnes til å være 0,45 1 pr. min. ved standardtemperatur- og trykk. I dette eksempel vil den molare innløpsstrømningshastighet for metan være ca. 0,00045 mol pr. sek. Disse tall er lineære med det totale reaksjonskammervolum. Et 2 cm<3>reaksjonskammervolum vil kreve 0,0009 mol pr. sek. E.g. if the cumulative volumetric sum of reaction chambers including reforming catalysts is 1 cm<3>, the total inlet flow rate of reactants will be 0.6 standard 1 per my. The inlet rate for methane will be 0.15 standard 1 per min., and the inlet flow rate for steam will be calculated to be 0.45 1 per my. at standard temperature and pressure. In this example, the molar inlet flow rate for methane will be approx. 0.00045 mol per Sec. These numbers are linear with the total reaction chamber volume. A 2 cm<3>reaction chamber volume will require 0.0009 mol per Sec.

Metanomdannelse bestemmes ved å måle utgangsproduktets sammensetning og utløpsstrømningshastigheten for metan-reformeringsreaksjonsprodukter og deretter beregne basert på følgende formel: Omdanning %=100 x (mol metan inn - mol metan ut)/(mol metan inn). Methane conversion is determined by measuring the feedstock composition and outlet flow rate of methane reforming reaction products and then calculating based on the following formula: Conversion %=100 x (mol methane in - mol methane out)/(mol methane in).

Mol metan inn=innløpsstrømningshastighet for metan ved STP/(22,4 l/mol). Mol methane in=inlet flow rate of methane at STP/(22.4 l/mol).

Mol metan ut=[utløpsstrømningshastighet for total tørr produktgass/(22,4 l/mol)] x% metan i tørr gass ved gasskromatografianalyse. Mol methane out=[outlet flow rate for total dry product gas/(22.4 l/mol)] x% methane in dry gas by gas chromatography analysis.

Tørr gass defineres som produktgass-strømningshastig-het etter kondensering av det ureagerte vann eller andre kondenserbare fluider. Dry gas is defined as the product gas flow rate after condensation of the unreacted water or other condensable fluids.

Selektivitet overfor CO%=100x(mol XO/(mol C02+mol CO+mol C(er) dersom det foreligger)). Selectivity towards CO%=100x(mol XO/(mol C02+mol CO+mol C(s) if present)).

Selektivitet overfor CO2%=100x(mol C02/(mol C02+mol CO+mol C(er) dersom det foreligger)). Selectivity towards CO2%=100x(mol C02/(mol C02+mol CO+mol C(s) if present)).

Varmebelastning=(omdanning%/100)x molmetan i x(reak-sjonsvarme ved dampreformering til karbonmonoksid ved 850°C (226800 J/mol)x selektivitet overfor CO%+reaksjonsvarme ved dampreformering av metan til karbondioksid ved 850°C (193200 J/mol) x selektivitet overfor CO2%)/100, enheter i Heat load=(conversion%/100)x molar methane in x(reaction heat during steam reforming to carbon monoxide at 850°C (226800 J/mol)x selectivity to CO%+reaction heat during steam reforming of methane to carbon dioxide at 850°C (193200 J/ mol) x selectivity to CO2%)/100, units i

W. W.

Varmefluks=varmebelastning/reaktorkjernevolum, enheter W/ cm3. Heat flux=heat load/reactor core volume, units W/cm3.

Reaktorkjernevolumet omfatter alle reaksjonskamre eller kanaler, alle tilhørende forbrenningskamre eller kanaler, samt alle skillende metallsteg hvorigjennom varme transporteres mellom fluider. Kort sagt omfatter dette volum det totale volum hvorigjennom varme transporteres for metan dampreformeringsreaksjon. Dette volum omfatter ikke omkretsmetall, forgreningsrørvolum eller annet tilknyttet utstyr som er avhengig av individuelle geometrier ved anordningen . The reactor core volume includes all reaction chambers or channels, all associated combustion chambers or channels, as well as all separating metal steps through which heat is transported between fluids. In short, this volume includes the total volume through which heat is transported for the methane steam reforming reaction. This volume does not include peripheral metal, manifold volume or other associated equipment that depends on individual geometries of the device.

Følgende betingelser må oppfylles av forbrenningsreaksjonen som tilfører varme til varmefluksmålingstesten: 1. Gassfasebrennstoffet som må anvendes er hydrogen. 2. Den totale luftstrømningshastighet gis slik størrelse at en blanding av hydrogen- og luft-strømhastighetene inn i reaktoren når en luft-overskuddsprosent på 80%. Overskuddsluften defineres som den totale molare strømningshastighet av oksygen i blandingen av hydrogen og luft dividert med den molare strømningshastighet av oksygen som er nødvendig for å oksidere hydrogenet fullstendig ved dets molare brenselsstrøm-ningshastighet. Idet ett mol oksygen kan oksidere 2 mol hydrogen fullstendig, tilsvarer 80% overskuddsluft et molart forhold mellom luft og hydrogen på 4,28:1. Luft tas som 21 mol% oksygen, The following conditions must be met by the combustion reaction that adds heat to the heat flux measurement test: 1. The gas phase fuel that must be used is hydrogen. 2. The total air flow rate is given such a size that a mixture of the hydrogen and air flow rates into the reactor reaches an excess air percentage of 80%. The excess air is defined as the total molar flow rate of oxygen in the mixture of hydrogen and air divided by the molar flow rate of oxygen necessary to completely oxidize the hydrogen at its molar fuel flow rate. Since one mole of oxygen can completely oxidize 2 moles of hydrogen, 80% excess air corresponds to a molar ratio between air and hydrogen of 4.28:1. Air is taken as 21 mol% oxygen,

resten nitrogen. the rest nitrogen.

3. Hydrogenet og luften strømmer inn i forbrenningsreaktoren ved 900°C. 4. Luften og hydrogen skal enten blandes i et for-greningsrør som er direkte oppstrøms for forbrenningsreaktoren, eller i selve reaktoren. 5. De standard volumetriske strømningshastighet for hydrogen gjennom forbrenningsreaktoren pr. 0,15 SLPM metanstrømningshastighet gjennom metan-dampreformeringsreaktoren er minst 0,140 SLPM og høyst 0,204 SLPM. 6. De tilsvarende minste og største luftstrømnings hastigheter gjennom forbrenningsreaktoren, basert på betingelsen 80% overskuddsluft, pr. 0,15 SLPM metanstrømningshastighet gjennom metandamprefor-meringsreaktoren er henholdsvis 0,600 SLPM og 0,875 3. The hydrogen and air flow into the combustion reactor at 900°C. 4. The air and hydrogen must either be mixed in a manifold which is directly upstream of the combustion reactor, or in the reactor itself. 5. The standard volumetric flow rate of hydrogen through the combustion reactor per 0.15 SLPM methane flow rate through the methane steam reforming reactor is at least 0.140 SLPM and at most 0.204 SLPM. 6. The corresponding minimum and maximum air flow rates through the combustion reactor, based on the condition 80% excess air, per 0.15 SLPM methane flow rates through the methane steam reforming reactor are 0.600 SLPM and 0.875 respectively

SLPM. SLPM.

7. Hydrogen- og luftstrømmenes innløpstrykk bør ikke 7. The inlet pressure of the hydrogen and air streams should not

være høyere enn 2,38 bar (20 psig). be higher than 2.38 bar (20 psig).

Trykktest- høytemperaturtest for integrert forbrenningsreaktor Pressure test- high temperature test for integrated combustion reactor

I foretrukne utførelsesformer er enhver av de anordninger som er beskrevet her i stand til å motstå indre trykk-forskjeller. F.eks. tilfredsstiller noen foretrukne ut-førelsesf ormer kravene i følgende trykktest. For en mikrokanalenhetsoperasjonsanordning ved minst én kritisk kanaldimensjon på under ca. 2 mm, arbeides med minst 2 innløpsfluidstrømmer. Den første fluidstrøm må være på In preferred embodiments, any of the devices described herein are capable of withstanding internal pressure differences. E.g. some preferred embodiments satisfy the requirements of the following pressure test. For a microchannel unit operating device at least one critical channel dimension of less than approx. 2 mm, work with at least 2 inlet fluid streams. The first fluid flow must be on

850°C og 12,6 kg/cm2 (180 psig). Den andre fluidstrøm må 850°C and 12.6 kg/cm2 (180 psig). The second fluid flow must

være på 800°C og 0,7 kg/cm<2>. Enhver strømningshastighet kan anvendes. Anordningen drives med gass-strøm til begge strømmer i 300 t. Etter 300 t drift settes hver fluid-strømledning under trykk på ca. 3,5 kg/cm<2>som holdes i 2 be at 800°C and 0.7 kg/cm<2>. Any flow rate can be used. The device is operated with gas flow for both flows for 300 h. After 300 h of operation, each fluid flow line is pressurized to approx. 3.5 kg/cm<2> which is held in 2

t. Trykket må bli værende konstant, noe som indikerer minimale lekkasjebaner til omgivelsen. Deretter settes den andre fluidstrømlinje under trykk på ca. 3,5 kg/cm<2>, mens den første fluidstrømlinje får være åpen mot atmosfæren, og holdes i 2 t. Trykket må bli værende konstant, noe som indikerer minimale indre lekkasjebaner. En minimal lekka-sjebane defineres som en lekkasjehastighet på mindre enn 10~<6>standard cm3 pr. sek. helium, når helium anvendes som fluid i den avsluttende lekkasjetest. t. The pressure must remain constant, which indicates minimal leakage paths to the environment. The second fluid flow line is then pressurized to approx. 3.5 kg/cm<2>, while the first fluid flow line is allowed to be open to the atmosphere, and is held for 2 h. The pressure must remain constant, indicating minimal internal leakage paths. A minimal leakage path is defined as a leakage rate of less than 10~<6>standard cm3 per Sec. helium, when helium is used as fluid in the final leak test.

Oppfinnelsen omfatter også fremgangsmåter til utfør-else av enhetsoperasjoner i anordningen som har det ovenfor beskrevne trykkbestandighetskarakteristikum. The invention also includes methods for carrying out unit operations in the device which has the pressure resistance characteristic described above.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for utførelse av en endoterm reaksjon i en integrert forbrenningsreaktor, karakterisert vedat den omfatter: at en eksoterm reaksjonssammensetning ledes inn i minst ett eksotermt reaksjonskammer, hvor det eksoterme reaksjonskammer omfatter en eksoterm reaksjonskatalysator ; hvor den integrerte reaktoren omfatter vekslende lag av eksotermiske og endotermiske reaksjonskammers som omfatter minst 2 lag endotermiske reaksjonskammers som veksler med minst ett lag som omfatter det eksotermiske reaksjonskammerset; hvor de endotermiske reaksjonskammersene omfatter en endotermisk reaksjonskatalysator; hvor det minst ene metall eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en vegg tilstøtende minst en av de endotermiske reaksj onskammersene; hvor ved en av de eksotermiske reaksjonskatalysatorene eller den endoterme reaksjonskatalysatoren omfatter et porøst katalysatorinnlegg; hvor den eksotermiske reaksjonssammensetningen reagerer i det eksotermiske reaksjonskammerset og genererer varme; og formidler en endotermisk reagerende sammensetning inn i det minst ene endotermiske reaksjonskammerset; og hvor fremgangsmåten innehar en volumetrisk varmeflux på minst lW/cc.1. Procedure for carrying out an endothermic reaction in an integrated combustion reactor, characterized in that it comprises: that an exothermic reaction composition is led into at least one exothermic reaction chamber, where the exothermic reaction chamber comprises an exothermic reaction catalyst; where the integrated reactor comprises alternating layers of exothermic and endothermic reaction chambers comprising at least 2 layers of endothermic reaction chambers alternating with at least one layer comprising the exothermic reaction chamber; wherein the endothermic reaction chambers comprise an endothermic reaction catalyst; wherein the at least one metal exothermic reaction chamber comprises a wall adjacent to at least one of the endothermic reaction chambers; wherein one of the exothermic reaction catalysts or the endothermic reaction catalyst comprises a porous catalyst insert; wherein the exothermic reaction composition reacts in the exothermic reaction chamber and generates heat; and conveying an endothermic reacting composition into the at least one endothermic reaction chamber; and where the method has a volumetric heat flux of at least lW/cc. 2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakteriser t ved at det porøse katalysatorinnlegget fyller det endotermiske reaksjonskammerset.2. Method in accordance with claim 1, characterized in that the porous catalyst insert fills the endothermic reaction chamber. 3. Fremgangsmåte i samsvar med krav et eller flere av de foregående kravene,karakterisert vedat en oksygeninneholdende sammensetning passerer gjennom et flertall spalter og inn i et brennstoff som flyter gjennom det eksotermiske reaksjonskammerset.3. Method in accordance with claim one or more of the preceding claims, characterized in that an oxygen-containing composition passes through a plurality of slits and into a fuel flowing through the exothermic reaction chamber. 4. Fremgangsmåte i samsvar med krav et eller flere av de foregående kravene,karakterisert vedat fremgangsmåten innehar en volumetrisk varmeflux på minst 20 W/cc.4. Method in accordance with claim one or more of the preceding claims, characterized in that the method has a volumetric heat flux of at least 20 W/cc. 5. Fremgangsmåte i samsvar med krav et eller flere av de foregående kravene,karakterisert vedat den endotermiske rasjonen omfatter hydrokarbondampreformering og hvor minst 70% av ekvilibriumskonverteringen til hydrokarbonet som inntas i begynnelsen på de endotermiske reaksjonskammersene konverteres til hydrogen, karbonmonoksid og karbondioksid.5. Method in accordance with claim one or more of the preceding claims, characterized in that the endothermic ration includes hydrocarbon steam reforming and where at least 70% of the equilibrium conversion to the hydrocarbon that is taken in at the beginning of the endothermic reaction chambers is converted to hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. 6. Fremgangsmåte i samsvar med krav et eller flere av de foregående kravene,karakterisert vedat den endotermiske reaksjonen omfatter hydrokarbondampreformering med et damp til karbon forhold i området fra 1 til 3.6. Method in accordance with claim one or more of the preceding claims, characterized in that the endothermic reaction comprises hydrocarbon steam reforming with a steam to carbon ratio in the range from 1 to 3. 7. Fremgangsmåte i samsvar med krav et eller flere av de foregående kravene,karakterisert vedat den endotermiske reaksjonen omfatter hydrokarbondampreformering med en kontakttid på mindre enn 100 millisekunder.7. Method in accordance with claim one or more of the preceding claims, characterized in that the endothermic reaction comprises hydrocarbon steam reforming with a contact time of less than 100 milliseconds. 8. En integrert reaktor,karakterisert vedat den omfatter: vekslende lag av eksotermiske og endotermiske reaksjonskammers som omfatter minst 2 lag endotermiske reaksjonskammers som veksler med minst ett lag som omfatter et eksotermisk reaksjonskammers; hvor det eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en eksotermisk reaksj onskatalysator; hvor det endotermiske reaksjonskammers omfatter en endotermisk reaksjonskatalysator; hvor det eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en vegg tilstøtende minst en av de endotermiske reaksj ons kammersene; hvor ved en av de eksotermiske reaksjonskatalysatorene eller den endoterme reaksjonskatalysatoren omfatter et porøst katalysatorinnlegg; og hvor den integrerte reaktoren innehar en volumetrisk varmeflux kjennetegnet ved minst lW/cc når målt i samsvar med «the Volumetric Heat Flux Measurement Test».8. An integrated reactor, characterized in that it comprises: alternating layers of exothermic and endothermic reaction chambers comprising at least 2 layers of endothermic reaction chambers alternating with at least one layer comprising an exothermic reaction chamber; wherein the exothermic reaction chamber comprises an exothermic reaction catalyst; wherein the endothermic reaction chamber comprises an endothermic reaction catalyst; where the exothermic reaction chamber comprises a wall adjacent to at least one of the endothermic reaction chambers; wherein one of the exothermic reaction catalysts or the endothermic reaction catalyst comprises a porous catalyst insert; and where the integrated reactor has a volumetric heat flux characterized by at least lW/cc when measured in accordance with "the Volumetric Heat Flux Measurement Test". 9. Fremgangsmåte for utførelse av en endoterm reaksjon i en integrert reaktor,karakterisert vedat den omfatter: å anbringe et brennstoff eller en oksidant inn i minst ett eksotermisk reaksjonskammers, hvor det eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en eksotermisk reaksj onskatalysator; hvor den integrerte reaktoren omfatter vekslende lag av eksotermiske og endotermiske reaksjonskammers som omfatter minst 2 lag endotermiske reaksjonskammers som veksler med minst ett lag som omfatter det eksotermiske reaksjonskammerset; hvor de endotermiske reaksjonskammersene omfatter en endotermisk reaksjonskatalysator; hvor det minst ene eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en første vegg tilstøtende minst en av de endotermiske reaksjonskammersene, og en andre vegg som omfatter spalter; hvor en oksidant eller et brennstoff bringes gjennom spaltene og inn i det minst ene eksotermiske reaksj onskammerset; hvor oksidanten og brennstoffet reagerer i det eksotermiske reaksjonskammerset og genererer varme; og formidling av en endotermisk reagerende sammensetning inn i det minst ene endotermiske reaksjonskammerset; og hvor fremgangsmåten innehar en volumetrisk varmeflux på minst lW/cc.9. Method for carrying out an endothermic reaction in an integrated reactor, characterized in that it comprises: placing a fuel or an oxidant into at least one exothermic reaction chamber, where the exothermic reaction chamber comprises an exothermic reaction catalyst; where the integrated reactor comprises alternating layers of exothermic and endothermic reaction chambers comprising at least 2 layers of endothermic reaction chambers alternating with at least one layer comprising the exothermic reaction chamber; wherein the endothermic reaction chambers comprise an endothermic reaction catalyst; wherein the at least one exothermic reaction chamber comprises a first wall adjacent to at least one of the endothermic reaction chambers, and a second wall comprising slits; wherein an oxidant or a fuel is brought through the slots and into the at least one exothermic reaction chamber; where the oxidant and fuel react in the exothermic reaction chamber and generate heat; and imparting an endothermic reacting composition into the at least one endothermic reaction chamber; and where the method has a volumetric heat flux of at least lW/cc. 10. En integrert reaktor,karakterisert vedat den omfatter: vekslende lag av eksotermiske og endotermiske reaksjonskammers som omfatter minst 2 lag endotermiske reaksjonskammers som veksler med minst ett lag som omfatter et eksotermisk reaksjonskammers; hvor det eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en eksotermisk reaksj onskatalysator; hvor det endotermiske reaksjonskammers omfatter en endotermisk reaksjonskatalysator; hvor det minst ene eksotermiske reaksjonskammerset omfatter en vegg tilstøtende minst en av de endotermiske reaksj onskammersene; hvor det eksotermisker reaksjonskammerset omfatter en første vegg tilstøtende minst et av de endotermiske reaksjonskammersene, og en andre vegg som omfatter spalter; hvor den andre veggen skiller det eksotermiske reaksjonskammerset fra et oksidants- eller et brennstoffskammers; og hvor den integrerte reaktoren innehar en volumetrisk varmeflux kjennetegnet ved minst lW/cc når målt i samsvar med «the Volumetric Heat Flux Measurement Test».10. An integrated reactor, characterized in that it comprises: alternating layers of exothermic and endothermic reaction chambers comprising at least 2 layers of endothermic reaction chambers alternating with at least one layer comprising an exothermic reaction chamber; wherein the exothermic reaction chamber comprises an exothermic reaction catalyst; wherein the endothermic reaction chamber comprises an endothermic reaction catalyst; wherein the at least one exothermic reaction chamber comprises a wall adjacent to at least one of the endothermic reaction chambers; wherein the exothermic reaction chamber comprises a first wall adjacent to at least one of the endothermic reaction chambers, and a second wall comprising slits; where the second wall separates the exothermic reaction chamber from an oxidant or a fuel chamber; and where the integrated reactor has a volumetric heat flux characterized by at least lW/cc when measured in accordance with "the Volumetric Heat Flux Measurement Test".
NO20121234A 2012-10-22 2012-10-22 Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein NO20121234A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20121234A NO20121234A1 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20121234A NO20121234A1 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NO20121234A1 true NO20121234A1 (en) 2014-04-23

Family

ID=50695267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20121234A NO20121234A1 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein

Country Status (1)

Country Link
NO (1) NO20121234A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO332587B1 (en) Integrated reactors, as well as process for making and using the same
JP4658603B2 (en) Integrated combustion reactor and method for simultaneous endothermic and exothermic reactions
AU2002253957A1 (en) Integrated reactors, methods of making same, and methods of conducting simultaneous exothermic and endothermic reactions
NO330291B1 (en) Process and apparatus for increasing the rate of production of thermal chemical reactions
US7563390B2 (en) Alcohol steam reforming catalysts and methods of alcohol steam reforming
EP1755777A1 (en) Micro-channel reactor with catalysts applied directly to thermally-grown alumina, methods using same and oxidative dehydrogenation
Hwang et al. Novel micro-channel methane reformer assisted combustion reaction for hydrogen production
Bian et al. CFD simulation on hydrogen-membrane reactor integrating cyclohexane dehydrogenation and CO2 methanation reactions: A conceptual study
JP5623715B2 (en) Integrated reactor, method for producing the same, and method for simultaneously performing exothermic reaction and endothermic reaction
US9192929B2 (en) Integrated combustion reactor and methods of conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
NO20121234A1 (en) Integrated combustion reactor and methods for carrying out an endothermic reaction therein
WO2005030390A1 (en) Alcohol steam reforming catalysts and methods of alcohol steam reforming
Chen Thermal chemical reaction characteristics of autothermal fixed bed reactors with structured catalysts and different surface features

Legal Events

Date Code Title Description
FC2A Withdrawal, rejection or dismissal of laid open patent application