CN103338852B - 微通道处理器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，其包括：多个位于堆中的平板，所述平板限定出至少一个工艺层和至少一个热交换层，每个平板均具有外周边缘，每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘，以为所述堆提供外周密封，所述相邻平板中的每个平板的平均表面积与所述相邻平板之间的焊接的平均熔深的比值至少为大约100cm²/mm。所述堆可以被用作微通道处理器的核心组件。所述微通道处理器可以被用于实施一个或多个单元操作，所述单元操作包括化学反应，例如SMR反应。

Description

微通道处理器

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2011年7月21日提交的美国临时专利申请No.61/510,191、于2011年2月9日提交的美国临时专利申请No.61/441,276以及于2010年10月18日提交的美国临时专利申请No.61/394,328的优先权权益。在这些临时专利申请中公开的内容通过引用并入本申请中。

技术领域

本发明涉及微通道处理器并且，更具体地，涉及可以被翻新的微通道处理器。

背景技术

在微通道技术中，传统的想法认为最佳的热传递仅可以通过钎焊或扩散接合实现。这些方法依赖于各层之间的连续金属界面的形成。所述连续界面可以有利于热传递的目的，将来自放热反应的热量转移到除热层或者为吸热反应补偿热量。

发明内容

使用钎焊或扩散接合以提供各层之间的连续金属界面而制成的微通道处理器所存在的问题是，它们不容易适应拆卸和翻新，所述翻新通常包括更换催化剂涂层以及其它涂层，比如防护屏障涂层、抗粘涂层、防止金属粉化的涂层、腐蚀抑制涂层等。因此，当使用较长一段时间后，这些处理器通常需要被更换。微通道处理器可能是很昂贵的，并且对于许多应用来说，使用较长一段时间后的更换要求在商业上是无法接受的。本发明提供了该问题的解决方案。

本发明涉及可以被用作微通道处理器的核心组件的装置。所述装置可以包括：位于堆中的多个平板，所述平板限定出至少一个工艺层（process layer）和至少一个热交换层，每个平板均具有外周边缘（peripheral edge），每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘，为所述堆提供周边密封（perimeter seal），相邻平板中的每个平板以平方厘米(cm²)计的平均表面积与相邻平板之间的以毫米(mm)计的焊接的平均熔深的比例至少为大约100cm²/mm，或在大约100到大约100000cm²/mm，或在大约100到50000cm²/mm，或在大约100到30000cm²/mm，或在大约100到20000cm²/mm，或在大约100到10000cm²/mm，或在大约100到5000cm²/mm，或在大约100到2000cm²/mm，或在大约100到1800cm²/mm，或在大约100到1600cm²/mm的范围内。这些比例是意义重大的，因为相对大的微通道处理器在采用在这些范围内的平板表面积与熔深的比例的外周焊接时，能够被成功使用是意想不到的。

本发明涉及可以被用作微通道处理器的核心组件的装置，所述装置包括：位于堆中的多个平板，所述平板限定出至少一个工艺层和至少一个热交换层，每个平板均具有外周边缘，每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘，以便为所述堆提供周边密封，所述工艺层包含蒸汽甲烷重整催化剂，所述热交换层包含燃烧催化剂。

在一种实施方式中，所述堆可以被放置在密闭容器中，所述堆适于在高于大气压的内部压力下运转，所述密闭容器适于在高于大气压的内部压力下运转并且为所述堆的外表面提供压力应用，所述密闭容器包括控制机构，以保持所述密闭容器内的压力至少与所述堆中的内部压力一样高。所述控制机构可以包括止回阀和/或压力调节器。在一种实施方式中，反应物气体可以被用于所述工艺层中并且杂质气体可以被用于所述密闭容器中，所述控制机构包括管道系统，以在由所述杂质气体提供的压力下降的情况中将工艺气转移至所述密闭容器的内部。

在一种实施方式中，外骨骼（exoskeleton）可以被安装在所述堆的外部，为所述堆提供结构支撑。

在一种实施方式中，端板可以被附着至所述堆的每一侧，为所述堆提供结构支撑。

在一种实施方式中，所述工艺层可以包括至少一个用于实施单元操作的工艺微通道，并且所述热交换层可以包括至少一个包含热交换流体的通道，其中所述热交换流体为所述工艺层提供加热或冷却。

在一种实施方式中，所述工艺层可以包括在平板中形成的多个工艺微通道，所述装置包括内部焊接，以防止在同一平板中流体从一个工艺微通道流到另一个工艺微通道。

在一种实施方式中，所述热交换层可以包括在平板中形成的多个热交换通道，所述装置包括内部焊接，以防止在同一平板中流体从一个热交换通道到另一个热交换通道。

在一种实施方式中，焊接材料可以被用于焊接每个平板的外周边缘，所述平板由金属或金属合金制成，并且所述焊接材料由金属或金属合金制成。在一种实施方式中，所述平板和焊接材料可以由相同的金属或金属合金制成。在一种实施方式中，所述金属合金可以包括镍、铬、钴、钼和铝。

在一种实施方式中，可以利用激光将所述每个平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘。

所述平板可以具有至少大约200平方厘米(cm²)，或大约200到大约48000cm²，或大约200到大约30000cm²，或大约200到大约15000cm²，或大约1000到大约5000cm²，或大约1500到大约2500cm²，或大约2000cm²的表面积。术语平板的“表面积”指的是所述平板的总长乘以所述平板的总宽的结果。因此，例如，具有75cm的总长和30cm的总宽的平板将具有2250cm²的表面积。

相邻平板之间的焊接的平均熔深可以高至10毫米(mm)，或大约0.25到大约10mm，或大约0.25到大约8mm，或大约0.25到大约6.5mm，或大约0.25到大约5mm，或大约0.5到大约3mm，或大约0.75到大约3mm，或大约1到大约2mm，或大约1到大约1.5mm，或大约1.27mm。术语“焊接的平均熔深”指的是当焊接材料被应用于两个相邻平板的外周边缘时，所述焊接材料深入两个相邻平板之间的间隙的平均深度。这在图22中被例示，其中焊接被应用于两个相邻平板的外周边，所述焊接深入(“焊接熔深”)两个相邻平板之间的间隙。

所述装置可以包括足够数量的平板，以提供一个或多个工艺层，例如，1到大约1000，或1到大约100，或1到大约50，或1到大约30，或2到大约30，或4到大约30，或8到大约24，或大约16个工艺层；和一个或多个热交换层，例如，1到大约1000，或1到大约100，或1到大约50，或1到大约30，或大约2到大约30，或大约4到大约36，或大约8到大约24，或大约16个热交换层。所述平板可以水平对齐且一个平板堆叠在另一个平板之上，所述平板可以垂直对齐且并排放置，或者它们与水平方向成一定角度对齐。所述工艺层和热交换层可以按工艺层相邻热交换层（该热交换层进而与另一个工艺层相邻，而该另一个工艺层进而与另一个热交换层相邻，依此类推）的交替顺序对齐。作为替代方案，两个或更多个工艺层和/或两个或更多个热交换层可以彼此相邻放置。

所述装置可以包括一个或多个重复单元，其中每个重复单元相同并且每个单元均包括一个或更多个工艺层和一个或更多个热交换层。例如，重复单元可以包括1到大约10，或1到大约5，或1到大约3，或大约2个工艺层；和1到大约10，或1到大约5，或1到大约3，或大约2个热交换层。所述重复单元可以水平对齐且一个单元堆叠在另一个单元之上，所述重复单元可以垂直对齐且并排放置，或者它们与水平方向成一定角度对齐。在每个重复单元中，所述工艺层和热交换层可以按工艺层相邻热交换层（该热交换层进而与另一个工艺层相邻，而该另一个工艺层进而与另一个热交换层相邻，依此类推）的交替顺序对齐。作为替代方案，两个或更多个工艺层和/或两个或更多个热交换层可以彼此相邻放置。所述平板堆可以包括任意数量的重复单元，例如，1到大约1000，或1到大约500，或1到大约100，或1到大约50，或1到大约20，或1到大约10个重复单元。

所述装置可以进一步包括：焊接至所述堆的入口工艺歧管，以使得流体流入所述工艺层中；焊接至所述堆的出口工艺歧管，以使得流体流出所述工艺层；至少一个焊接至所述堆的入口热交换歧管，以使得流体流入所述热交换层中；和焊接至所述堆的热交换出口，以使得流体流出所述热交换层。所述热交换出口可以包括焊接至所述堆的一端并且适于使排气从所述热交换层流出的排气出口。

如以上指出的，所述堆（可以被称为核心组件）可以放置在密闭容器中或具有绕所述核心组件设置的以抵抗操作过程中的压力的机械支架（mechanical braces）。所述堆可以适于在高于大气压的内部压力下运转，例如，高至大约15MPa，或高至大约12MPa，或高至大约10MPa，或高至大约7MPa，或高至大约5MPa，或高至大约3MPa，或在大约0.1至大约15MPa的范围内，或在大约0.1至大约12MPa的范围内，或在大约0.1至大约10MPa的范围内，或在大约0.1至大约7MPa的范围内，或在大约0.1至大约5MPa的范围内，或在大约0.1至大约3MPa的范围内，或在大约0.2至大约10MPa的范围内，或在大约0.2至大约5MPa的范围内的表压。在所述堆内的内部压力可以由所述工艺层中的工艺活动（process activity）和/或所述热交换层中的热交换活动产生。由于在所述工艺层中的第一压力下运行第一单元操作以及在所述热交换层中的第二压力下运行热交换过程，因此在所述堆中可能存在两个或更多个内部压力。例如，相对高的压力可以来自所述工艺层中的高压反应，比如SMR反应，并且相对低的压力可以来自所述热交换层中的低压反应，比如燃烧反应。所述工艺层中的内部压力与所述热交换层中的内部压力之间的压差可能高至大约10MPa，或在大约0.1到大约10MPa，或大约0.2到大约5MPa的范围内。所述密闭容器也可以适于在高于大气压的内部压力下运转，例如，高至大约10MPa，或高至大约7MPa，或高至大约5MPa，或高至大约4MPa，或高至大约3.5MPa，或高至大约3MPa，或在大约0.1至大约10MPa的范围内，或在大约0.1至大约7MPa的范围内，或在大约0.1至大约5MPa的范围内，或在大约0.1至大约3MPa的范围内的表压的内部压力下运转。可以使用密闭气来保持所述密闭容器内的内部压力。所述密闭气可以是诸如氮气的惰性气体。所述密闭气可以被用于提供顶着所述堆的外表面的压力，进而为所述堆提供结构支撑。如以上所指出的，所述密闭容器可以包括控制机构，以使所述密闭容器内的压力保持在至少与所述堆内的内部压力一样高的水平。这样，施加在所述堆的外部的压力可以至少等于、或可以超过所述堆内的内部压力。由于所述密闭气所提供的结构支撑，因此可以避免使用用于为所述堆提供结构支撑的夹具、外部支架、外部支撑等。所述夹具、外部支架、外部支撑等可能是昂贵的，并且在想要翻新时也是问题。

如以上所指出的，用于保持所述密闭容器内的压力的控制机构可以包括止回阀和/或压力调节器。它们的每一个或全部都可以与管、阀、控制器等的系统结合使用，以保证所述密闭容器内的压力保持在至少与所述堆内的内部压力一样高的水平。这样做部分是为了保护用于密封所述堆的外周焊接。所述密闭容器内压力的显著下降，而所述组内的内部压力的没有相应的减小，这可能导致所述外周焊接的高代价的破裂。所述控制机构可以包括管道系统，以在由所述密闭气施加的压力下降的情况中使得一种或更多种工艺气转移进入所述密闭容器。

如以上所指出的，结构支撑（可以包括外骨骼）可以被安装在所述堆的外部，为所述堆提供结构支撑。所述外骨骼可以包括一系列与所述堆的端板的大部分外表面保持紧密接触（例如通过焊接）的加强构件。这些构件的刚度可以使得所述构件抵抗堆叠方向（即，与所述平板的平面正交的方向）上的弯曲。作为替代方案，还可以存在被设置在所述平板的平面中的刚性构件，以使侧面或端部破裂最小化。图32例示了用于为所述堆提供结构支撑的外骨骼的使用。

如以上所指出的，可以通过使用被附着至或被焊接至所述堆的每侧的相对厚的端板来提供结构支撑。所述相对厚的端板可以具有大约1厘米或更大的厚度，并且可以基于所述堆的剖面连同所述反应器的期望的设计温度和设计压力一起确定尺寸。在具有相对厚的端板以保持操作期间的内部压力的实施方式中，对所述端板的焊接熔深可以大于所述堆中的内部平板所采用的焊接熔深。因此，对所述端板的焊接熔深可以大于大约0.75mm，或大于大约1.5mm，或大于大约2mm，或大于大约3mm，或大于大约5mm，或大于大约7mm，或大于大约10mm。

所述装置可以适于在所述工艺层中实施至少一个单元操作。所述单元操作可以包括化学反应、蒸发、压缩、化学分离、蒸馏、冷凝、混合、加热、冷却或其中两个或更多个的组合。

所述化学反应可以包括甲醇合成反应、二甲醚合成反应、氨合成反应、水气变换反应、乙酰化加成反应、烷基化、脱烷基化、加氢脱烷基化、还原烷基化、氨基化、芳构化、芳基化、自热重整、羰基化、脱羰基化、还原羰基化、羧化作用、还原羧化、还原耦合、缩合、裂化、加氢裂化、环化、环低聚作用、脱卤、二聚化、环氧化、酯化、费托反应、卤化、加氢卤化、同素化、水合作用、脱水、加氢、脱氢、加氢羧基化、加氢甲酰化、氢解、加氢金属化、硅氢加成反应、水解、氢化处理、异构化、甲基化、脱甲基化、置换作用（metathesis）、硝化、氧化、部分氧化、聚合、还原、重整、逆水气变换、磺化、调聚、酯基转移作用、三聚化、萨巴蒂尔反应（Sabatier reaction）、二氧化碳重整、择优氧化、部分氧化或择优甲烷化反应。所述化学反应可以包括蒸汽甲烷重整（SMR）反应。所述化学反应可以包括用于制备乙烯、苯乙烯、甲醛和/或丁二烯的过程。

所述工艺层可以包括多个平行对齐的工艺微通道。每个工艺微通道可以包括含有催化剂的反应区。所述工艺层可以包括多个适于为流入所述工艺微通道中的反应物提供大体均匀分布的内部歧管。所述工艺层也可以包括多个适于为流出所述工艺微通道中的产物提供大体均匀分布的内部歧管。所述工艺微通道可以包括表面特征（surface feature）和/或毛细管特征（capillary feature）。

所述工艺层可以包括反应物层、产物层和设置在所述反应物层与产物层末端处的以使得流体从所述反应物层流向所述产物层的工艺U形转弯。所述反应物层可以邻近所述产物层设置。所述工艺层可以适于在由一种或多种反应物反应形成产物的反应中使用，所述一种或多种反应物流入所述反应物层，与催化剂接触并反应形成产物，所述产物流出所述产物层。

所述热交换层可以包括多个平行对齐的热交换通道。所述热交换通道可以被用于为所述工艺层提供加热或冷却。所述热交换通道可以包括微通道。所述热交换通道可以包括表面特征和/或毛细管特征。所述热交换通道可以适于使得热交换流体流入、流经或流出所述热交换通道。所述热交换流体可以包括液体、气体或它们的混合物。所述热交换层可以适于在所述热交换层中实施燃烧反应或，作为选择，其它氧化或放热反应，例如，部分氧化反应等。

所述热交换通道可以包括燃料层、邻近所述燃料层设置的空气层、设置在所述燃料层与空气层之间的热交换壁、多个位于所述热交换壁中以使得空气从所述空气层流入所述燃料层的开口或喷嘴、设置在所述燃料层中的燃烧催化剂、排气层和设置在所述燃料层的末端处和所述排气层的末端处的以使得排气从所述燃料层流入所述排气层的热交换U形转弯。所述热交换层可以适于使得燃料流入所述燃料层、使得空气从所述空气层穿过位于所述热交换壁中的开口流入所述燃料层，以与燃料混合形成燃料-空气混合物，使所述燃料-空气混合物流动至与所述燃烧催化剂接触，以进行燃烧反应，产生热量和排气，所述热量为所述工艺层供热，所述排气穿过所述排气层流出所述热交换层。所述燃料层可以包括多个燃料微通道和多个适于为流入所述燃料微通道的燃料提供大体均匀分布的内部歧管。所述空气层可以包括多个空气微通道和多个适于为流入所述空气微通道的空气提供大体均匀分布的内部歧管。所述燃料层和/或空气层可以包括表面特征和/或毛细管特征。

所述装置可以包括蒸汽甲烷重整反应器，所述工艺层包括蒸汽甲烷重整催化剂，所述热交换层包括燃烧催化剂。所述蒸汽甲烷重整催化剂可以包括铑和氧化铝载体。所述燃烧催化剂可以包括铂、钯和氧化铝载体，所述氧化铝载体是用镧浸渍过的。

所述装置可以包括存在于所述工艺层和/或热交换层中的催化剂，在焊接所述平板以形成所述堆之前，非原位地将所述催化剂应用于一个或更多个平板。

所述装置可以包括一个或更多个平板，在这些平板的一个或更多个表面上具有防腐和/或防粘层。

所述装置可以包括一个或更多个平板，在这些平板的一个或更多个表面上具有抗金属粉化层。

在一种实施方式中，所述平板中的一个或更多个平板在其上具有一个或更多个表面保护层。在一种实施方式中，所述表面保护层包括两个或三个层，每一层包括不同的材料组成。在一种实施方式中，所述表面保护层包括三个层，第一层包括铜，第二层包括含铝金属合金，并且第三层包括金属合金。在一种实施方式中，催化剂粘附至所述表面保护层。

本发明涉及用于形成前述装置的方法，所述方法包括：形成平板堆；和将每个平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘，以提供周边密封。

本发明涉及翻新前述装置的方法，所述方法包括：从所述平板的外周边缘上除去焊接；分离所述平板；修复所述平板中的缺陷；重新形成平板堆；和将每个平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘，从而对所述堆提供新的周边密封。本发明涉及通过前述翻新方法形成的翻新的装置。在所述装置的有效寿命期间，该翻新方法可以重复任意期望的次数，例如，1到大约20次，或1到大约15次，或1到大约10次，或1到大约5次，或1到大约2或3或4次。当装置包含一种或更多种催化剂时，在重新形成所述平板堆之前，所述催化剂可以被替换和/或再生。当一种或更多种催化剂被粘附至所述平板的一个或更多个表面时，所述催化剂可以通过喷砂处理移除。当所述平板中的一个或多个平板包括被破坏的氧化铝皮（alumina scale）时，所述氧化铝皮可以通过热处理补充。在翻新期间，所述平板中的一个或更多个平板可以被替换并且，因而使得所述装置在翻新后可以包括一个或更多个具有不同制造日期的平板。在翻新期间替换一个或更多个平板可以形成一种翻新的装置，在所述翻新的装置中，所述平板中的一个或更多个平板不同于先前使用的起始的那组平板。所述替换平板将需要比起始的平板略小的横截面，以适应为了翻新而移除第一焊接设置（firstwelding set）时从起始堆中损失的金属。在翻新后得到的新堆在每次翻新循环中可以具有略小的横截面。期望的是，在每次翻新循环中移除的周边金属的量可能在大约0.1mm到大约10mm，或大约0.5mm到大约2mm的范围内。优选的是使每次翻新循环中的周边金属损失的量最小化。

所述外周焊接可以相对薄，以便于翻新装置。例如，所述平均焊接熔深可以高至大约10mm，或大约0.25到大约10mm，或大约0.25到大约8mm，或大约0.5到大约6.5mm，或大约0.5到大约5mm，或大约0.5到大约3mm，或大约0.75到大约2mm，或0.75到大约1.5mm，或大约0.05英寸（1.27mm）。每个平板可以具有围绕每个平板的活性区域（例如工艺微通道、热交换通道等）的边框（border）。这在图21中被例示。在翻新过程中，所述外周焊接以及所述边框的一部分可以被移除，例如，通过对所述焊接和边框进行机械加工。因此，对于较薄的焊接，在每次翻新期间边框材料的损失较少。例如，如果每个焊接的平均熔深为0.05英寸（1.27mm），并且每个平板的每个边框具有0.5英寸（12.7mm）的宽度，每个平板在被废弃前能被翻新十次。这是意义重大的，因为允许多次翻新可以显著延长微通道处理器的使用寿命并且从而降低其总成本。

本发明涉及使用上述装置实施单元操作的方法，该方法包括：在所述工艺层中实施单元操作；和在所述工艺层与热交换层之间换热。

本发明涉及使用上述装置实施化学反应的方法，该方法包括：在所述工艺层中实施化学反应；和在所述工艺层与热交换层之间换热。

本发明涉及使用上述装置实施蒸汽甲烷重整反应的方法，所述方法包括：在所述工艺层中，在催化剂的存在下使蒸汽与甲烷或天然气反应以形成合成气；并且在热交换层中实施燃烧反应以为所述工艺层提供热量。

在实施蒸汽甲烷重整反应的实施方式中，甲烷流或天然气流在所述工艺层中的表观速度在大约10到大约200米/秒的范围内，接近蒸汽甲烷重整反应的平衡的至少大约80%，并且所述装置内每压力降的反应热在大约2到大约20W/Pa的范围内。

在实施蒸汽甲烷重整反应的实施方式中，所述蒸汽甲烷重整反应的接触时间高至大约25ms，接近蒸汽甲烷重整反应的平衡的至少大约80%，并且在所述装置内每压力降的反应热在大约2到大约20W/Pa的范围内。在一种实施方式中，每单位接触时间的反应热至少为大约20W/ms。在一种实施方式中，在所述装置内的每压力降的反应热在大约2到大约20W/Pa的范围内。

在本发明的装置中实施蒸汽甲烷重整反应的实施方式中，所述蒸汽甲烷重整反应可以实施至少大约2000小时而不会在所述平板的表面形成金属粉尘坑。在一种实施方式中，所述蒸汽甲烷重整反应实施了至少大约2000小时，并且在实施所述反应至少大约2000小时后，所述工艺层所增加的压力降小于所述工艺起始时的压力降的大约20%。

在一种实施方式中，所述工艺层和/或热交换层中的平板可以包括表面，其中所述表面的一部分但不是所有表面具有粘附至其表面的催化剂、防腐层和/或防粘层，和/或抗金属粉化层。所述装置可以是新建的装置或翻新的装置。同整个平板都被覆盖的连续层相比，前述催化剂、防腐层和/或防粘层，和/或抗金属粉化层可以被看成是不连续层的形态。采用非原位的涂敷方法，这种不连续层的应用是可行的，并且这种涂敷应用技术讨论如下。

附图说明

在附图中，相似的部分和零件被给予相同的标记。

图1是示出了用以形成本发明装置的平板堆的示意图，为了例示的目的，所述平板中的一些平板被堆叠在一起，并且其它平板被从所述堆中分离示出；

图2是示出了图1中的平板堆呈组装形式的示意图，并且分离出用于使得工艺流体和热交换流体流入或流出所述堆的流体歧管；

图3是在图2中示出的平板堆和流体歧管的示意图，所述流体歧管被焊接至所述堆以提供组装的微通道处理器；

图4是来自图3的组装的微通道处理器被安装在密闭容器的头部中的示意图

图5是用于封闭图3和图4中所示的微通道处理器的密闭容器的示意图；

图6是示出了本发明的微通道处理器的工艺层中的反应物和产物的流动以及燃料、空气和排气在本发明的微通道处理器中的热交换层中的流动的示意图；

图7和8是用于本发明的微通道处理器中的平板堆所包含的重复单元的示意图；

图9-18是示出了在图7和图8中例示的每个平板的顶表面和底表面的示意图；

图19和20是在图1至图4中所例示的类型的平板堆的照片，每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘，以便为所述堆提供周边密封。

图21是在图1至图4中例示的平板中的一个平板的部分示意图，该平板具有包括多个被边框围绕的微通道的活性区，所述边框形成所述平板的外周边缘的一部分，并且焊接被应用至所述平板的外周边缘且渗透超过所述外周边缘。

图22是在图1至图4中所例示的类型的两个平板的部分示意图，具有被应用至每个平板的外周边缘且渗透所述平板之间的间隙的焊接；

图23是一种SMR反应器的概括性示意图，所述反应器在实施例2中被公开。

图24是用于使空气从图23中示出的SMR反应器的空气通道流到燃料通道的喷嘴布置的示意图；

图25是示出了图23所示的反应器的四个产物通道的连接的示意图；

图26是用于图23所示的反应器的P平板或平板1的示意图；

图27是用于图23所示的反应器的RP平板或平板2的示意图；

图28是用于图23所示的反应器的Cat平板或平板3的示意图；

图29是用于图23所示的反应器的FA平板或平板4的示意图；

图30是用于图23所示的反应器的AE平板或平板5的示意图；

图31是用于图23所示的反应器的E平板或平板6的示意图；

图32是在实施例2中公开的反应器的示意图，其中所述反应器包括用提供结构支撑的外骨骼；

图33是示出了图23中例示的反应器的反应器部分中的SMR催化和燃烧催化剂的位置的示意图；

图34是用于喷涂图23中例示的反应器中的SMR催化剂的掩膜的示意图；

图35是示出了被添加至图23中所示反应器的AE平板的再分布特征的示意图；

图36是示出了实施例2中公开的反应器的SMR工艺性能的标绘图；

图37是示出了实施例2中公开的反应器的燃烧性能的标绘图；

图38和图39是示出了实施例2中公开的反应器的压力降的标绘图；

图40是示出了实施例2中公开的反应器的载荷壁的温度曲线的标绘图；

图41是示出了实施例2中公开的反应器的出口处的排气温度曲线的标绘图；

图42是示出了对于实施例2所公开的反应器而言，采用具有不同甲烷水平的燃料时，载荷壁的温度曲线；

图43是示出了实施例2所公开的反应器的排气温度变化；

图44是示出了沿实施例2所公开的反应器的长度、作为燃烧燃料中甲烷量的函数的温度曲线的标绘图；

图45是示出了将催化剂应用至微通道反应器的壁上的原位涂敷方法的示意图；

图46是示出了将催化剂应用至SMR反应器的平板上的非原位涂敷方法的示意图；

图47例示出用于如实施例3中所描述的多通道SMR反应器的R-P平板的掩膜板；

图48是在给如实施例3所描述的平板涂敷催化剂之后掩膜板的图片；

图49由一系列来自如实施例4所描述的金属粉化测试的涂敷铜的因科镍合金617的试样的图片组成；

图50由一系列来自实施例4所描述的金属粉化测试的未涂敷的因科镍合金617的试样的图片组成；

图51是涂敷铜的因科镍合金617的试样在如实施例4所描述的金属粉化测试期间暴露863小时之后的横截面的SEM图；

图52由TiC/Al₂O₃/因科镍合金617的试样在如实施例4所描述的金属粉化测试期间的不同阶段的一系列图片组成；

图53由三个来自如实施例4所描述的金属粉化测试的涂敷铝铜的试样的图片组成；

图54和55示出了用于提供对实施例4所描述的金属粉化的防护的多层涂层；

图56由SMR反应器的Cat-平板在如实施例5所描述的用于翻新平板的喷砂处理之前或之后的图片组成；

图57由SMR反应器的R-P平板在如实施例5所描述的用于翻新平板的喷砂处理之前或之后的图片组成。

具体实施方式

在说明书或权利要求书中披露的任何范围限定和比例限定可以以任意方式组合。应该理解的是，除非特别地另外声明，“一种（a）”、“一种（an）”和/或“该（the）”的含义可以包括一个或多于一个，并且单数形式的术语的含义也可以包括复数形式的该术语。权利要求中所指定的所有组合可以以任意方式组合。

术语“微通道”指的是具有高至10毫米（mm）、或高至大约5mm、或高至大约2mm的高度或宽度中的至少一个内部尺寸。所述微通道可以具有高度、宽度和长度。所述高度和宽度都可以垂直于所述微通道中的流体流的总体流动方向。所述微通道可以包括至少一个入口和至少一个出口，其中所述至少一个入口与所述至少一个出口完全不同。所述微通道可以不仅仅是通孔（orifice）。所述微通道可以不仅仅是穿过沸石或介孔材料的通道。所述微通道的长度至少可以是高度或宽度的大约两倍、或至少大约五倍、或至少大约十倍。所述高度或宽度可以被称为所述微通道的相对的内壁之间的间隙。所述微通道的内部高度和宽度可以在大约0.05到大约10mm、或大约0.05到大约5mm、或大约0.05到大约2mm、或大约0.1到大约2mm、或大约0.5到大约2mm、或大约0.5到大约1.5mm、或大约0.08到大约1.2mm的范围内。高度和宽度的其它内部尺寸可以是任意尺寸，例如，高至大约10厘米（cm），或大约0.1到大约10cm，或大约0.5到大约10cm，或大约0.5到大约5cm。所述微通道的长度可以是任意尺寸，例如，长至大约250cm，或大约5到250cm，或大约10到100cm，或大约10到75cm，或大约10到60cm。所述微通道可以具有任意形状的横截面，例如，正方形、长方形、圆形、半圆形、梯形等。所述微通道的横截面的形状和/或尺寸在其长度上变化。例如，所述高度或宽度可以在所述微通道的长度上从相对大的尺寸逐渐减小至相对小的尺寸，或反之。

术语“工艺微通道”指的是在其中实施一种过程的通道。所述过程可以包括任意单元操作。所述过程可以包括化学反应，例如，蒸汽甲烷重整（SMR）反应。所述反应可以包括产生乙烯、苯乙烯、丁二烯、甲醛等的过程。所述反应可以包括部分氧化反应。

术语“微通道处理器”指的是包括一个或多个工艺微通道的装置，在所述微通道中可以实施一种过程。所述过程包括在其中一种或更多种流体被处理的单元操作。所述过程可以包括化学反应，比如SMR反应。

术语“微通道反应器”指的是包括一个或多个工艺微通道的装置，在所述微通道中实施一种反应过程。所述过程可以包括任意化学反应，比如SMR反应。当使用两个或更多个工艺微通道时，所述工艺微通道可以平行操作。所述微通道反应器可以包括用于使反应物流入所述一个或更多个工艺微通道的歧管，和用于使产物流出所述一个或更多个工艺微通道的歧管。所述微通道反应器可以进一步包括一个或更多个与所述一个或更多个工艺微通道相邻和/或热接触的热交换通道。所述热交换通道可以为所述工艺微通道中的流体提供加热或冷却。所述热交换通道可以是微通道。所述微通道反应器可以包括用于使热交换流体流入所述一个或更多个热交换通道的歧管，和用于使热交换流体流出所述一个或更多个热交换通道的歧管。当在所述热交换通道中实施燃烧反应时，所述微通道反应器还可以包括排气歧管排气出口。

术语“焊接”指的是通过引起聚结使材料（通常是金属或热塑性塑料）结合的制备过程。这可以通过熔融工件和/或通过添加填料物质以形成熔融材料池（焊池）来完成，所述熔融材料冷却形成强硬的结合，压力有时与热协同使用，或仅靠热，以形成焊接。

术语“钎焊”指的是金属结合过程，通过该过程将填料物质加热至其熔点以上并且通过毛细管作用使所述填料物质分布在两个或更多个紧密吻合的部分之间。在适当气氛（通常是助焊剂）的保护下，将所述填料金属缓慢升至其熔融温度以上。所述填料金属流过基底金属（被称为润湿）并且冷却以将工件结合在一起。

术语“扩散接合”指的是在作用力和加热下，在真空炉中将金属部件结合在一起、使得原子从每个部件扩散到另外的部件的过程。与钎焊不同，没有使用填料合金。

术语“接触时间”指的是流动穿过且包含反应催化剂的开放式反应器的体积除以在标准条件下计算的工艺入口流流速。反应物部分接触时间指的是设备的反应器部分内的通道中的工艺流的总体积（包括含催化剂的第一路径和伴随的产物通道的体积，所述产物通道与所述反应物通道是热接触的并被同一轴向位置限定）除以在标准条件下计算的工艺气体在每个通道的入口流速的总和。仅催化剂通道的接触时间指的是包含工艺催化剂的仅用于反应物通道中的工艺流的通道中的总体积除以在标准条件下计算的工艺气体在每个通道的入口流速总和。反应器核心接触时间指的是包括有回收换热部分和反应器部分的反应器中的通道回路的每个通道的总流动体积除以在标准条件下计算的工艺气体在每个通道的入口流速总和。

术语“充分均匀的流动”指的是流动分布虽不完美，但非均匀流动的量并不显著地降低工艺性能，其中具有多于两个通道的设备的性能在同等通道设计（长度、宽度、高度和催化剂位置）的单通道设备的性能的95%以内。

关于微通道内部的体积的术语“体积”包括流体可以流经或流过的微通道中的所有体积。该体积可以包括在可以设置于微通道内部并适于使流体以流经方式或流过方式流动的表面特征的内部的体积。

当用于表示一个通道的位置相对于另一个通道的位置时，术语“相邻”表示直接相邻，从而使得一个或多个壁分隔所述两个通道。所述两个通道可以具有共同的壁。所述共同的壁的厚度可以变化。然而，“相邻”通道可以不被干扰所述通道之间的热交换的插入通道分隔。一个通道可以仅在所述通道的一部分上与另一个通道相邻。

术语“热接触”指的是两个主体，例如，两个通道，可以是或可以不是彼此物理接触或可以是或可以不是彼此相邻，但彼此仍交换热量。一个主体与另一个主体热接触，可以加热或冷却另外的主体。

术语“流体”指的是气体、液体、气体和液体的混合物，或者包含分散的固体、液滴和/或气泡的气体或液体。所述液滴和/或气泡可以是不规则或规则的形状并且可以是相似或不同的尺寸。

术语“气体”和“蒸汽”具有相同的意义并且可以互换使用。

术语“停留时间”或“平均停留时间”指的是被流体占据的通道内的空间的内部体积（所述流体在所述空间中流动）除以在所使用的平均温度和压力下、在所述空间内流动的流体的平均体积流速。

术语“表面特征”指的是在通道壁和/或内部通道结构中，扰乱所述通道内的流动的凹陷或突出物。

术语“毛细管特征”指的是当流动处于层流态时不会扰乱所述通道内的流动的凹陷或突出物。例如，毛细管特征可以是大体垂直于流动方向的位于壁中的凹陷。毛细管特征可以是交叉排列的或具有其它不规则形状，比如那些通过表面粗化处理产生的形状。通常，在毛细管特征中的流动可以是大体停滞的，并且在反应物扩散返回至与所述毛细特征相邻的快速移动流动流中之前，这种停滞流动区域可以通过为反应物建立避风港以继续接触催化剂，来获得提高的反应速率。

术语“总体流动方向”指的是流体在通道中的开放路径中行进所穿过的矢量。

术语“总体流动区”指的是通道（例如工艺微通道）内的开放区域。连续的总体流动区可以允许穿过通道而无明显压降的快速流体流动。在一个实施方式中，在所述总体流动区中的流动是层流的。总体流动区可以包括微通道的内部体积和/或横截面积的至少约5%，并且在一个实施方式中为所述微通道的内部体积和/或横截面积的大约5%到大约100%，并且在一个实施方式中为大约5%到大约99%，并且在一个实施方式中为大约5%到大约95%，并且在一个实施方式中为大约5%到大约90%，并且在一个实施方式中为大约30%到大约80%。

术语通道（例如工艺微通道）的“横截面积”指的是垂直于通道中的流体的总体流动的方向测定的面积，并且所述面积可以包括通道中的所有面积（包括可能出现的任何表面特征，但不包括通道壁）。对于沿其长度弯曲的通道，所述横截面积可以垂直于沿平行于通道长度并处于通道（面积的）中心的线而选择的点处的总体流动的方向测定。高度和宽度的尺寸可以从一个内部通道壁到相对的内部通道壁测定。这些尺寸可以是由表面特征、表面粗化处理等所造成的变化的平均值。

术语“工艺流体”指的是进入、流入和/或流出工艺微通道的反应物、产物、稀释剂和/或其它流体。

术语“反应物”指的是化学反应中所使用的反应物。对于SMR反应，所述反应物可以包括蒸汽和甲烷。对于燃烧反应，所述反应物可以包括燃料（例如氢气、碳氢化合物比如甲烷等）和氧气源比如空气。

术语“反应区”指的是微通道内部的空间，在所述空间中发生化学反应，或在所述空间中发生了至少一种物质的化学转化。所述反应区可以包括一种或多种催化剂。

术语“热交换通道”指的是具有热交换流体的通道，所述热交换流体在所述通道中放热或吸热。所述热交换通道可以吸收来自相邻通道（例如工艺微通道）和/或一个或多个与所述热交换通道热接触的通道的热量或向相邻通道（例如工艺微通道）和/或一个或多个与所述热交换通道热接触的通道释放热量。所述热交换通道可以从这些彼此相邻但不与所述热交换通道相邻的通道中吸收热量，或者向这些彼此相邻但不与所述热交换通道相邻的通道释放热量。在一个实施方式中，一个、两个、三个或更多个通道可以彼此相邻并且设置在两个热交换通道之间。

术语“热交换壁”指的是工艺微通道与相邻的热交换通道之间的共用壁，其中热量穿过所述共用壁从一个通道传递至另一个通道。

术语“热交换流体”指的是可以放出热量和/或吸收热量的流体。

术语“反应物转化率”指的是流入微通道反应器的流体与流出微通道反应器的流体之间的反应物的摩尔变化除以流入微通道反应器的流体中的反应物的摩尔数。

术语“mm”可以指毫米。术语“nm”可以指纳米。术语“ms”可以指毫秒。术语“μs”可以指微秒。术语“μm”指的是微米（micron）或微米（micrometer）。术语“微米（micron）”与“微米（micrometer）”可以具有相同的含义并且可以互换使用。术语m/s可以指米每秒。术语“kg”指的是公斤。除非另有说明，所有的压力以绝对压力的形式表示。

本发明的装置可以包括一个或多个工艺层，和一个或多个热交换层。所述装置可以被用于实施任何单元操作。所述单元操作可以在所述装置的工艺层中实施，并且可以通过热交换层提供加热或冷却。当使用超过一个工艺层和超过一个热交换层时，这些层可以以交替的顺序对齐，或者两个或更多的工艺层和/或两个或更多的热交换层可以彼此相邻设置。

可以在一个或多个工艺层中实施的单元操作可以包括化学反应、蒸发、压缩、化学分离、蒸馏、浓缩、混合、加热、冷却，或者其中两个或更多个的结合。

所述化学反应可以包括任何化学反应。所述化学反应可以包括甲醇合成反应、二甲醚合成反应、氨合成反应、水气变换反应、乙酰化加成反应、烷基化、脱烷基化、加氢脱烷基化、还原烷基化、氨基化、芳构化、芳基化、自热重整、羰基化、脱羰基化、还原羰基化、羧化作用、还原羧化、还原耦合、缩合、裂化、加氢裂化、环化、环低聚作用、脱卤、二聚化、环氧化、酯化、费托反应、卤化、加氢卤化、同素化、水合作用、脱水、加氢、脱氢、加氢羧基化、加氢甲酰化、氢解、加氢金属化、硅氢加成反应、水解、氢化处理、异构化、甲基化、脱甲基化、置换作用、硝化、氧化、部分氧化、聚合、还原、重整、逆水气变换、磺化、调聚、酯基转移作用、三聚化、萨巴蒂尔反应、二氧化碳重整、择优氧化、部分氧化或择优甲烷化反应。所述化学反应可以包括SMR反应。所述化学反应可以包括用于制备乙烯、苯乙烯、甲醛和/或丁二烯等的反应。

参见附图，首先参见图1到图4，本发明的装置可以包括平板堆100。所述堆100可以用作微通道处理器的核心组件。所述堆100可以包括彼此相邻或热接触设置的一个或多个工艺层和一个或多个热交换层。所述堆100可以包括，例如，1到大约1000，或1到大约500，或1到大约200，或1到大约100，或1到大约50，或1到大约30，或1到大约20个工艺层以及与所述工艺层相邻或热接触的相应的热交换层。所述堆100可以包括由平板的外周边缘形成的侧面101、102、103和104。在所述侧面101、102、103和104中的每一个侧面上的每个平板的外周边缘可以被焊接至下一个相邻平板的外周边缘。按照这种方式，所述堆100可以包括在所述侧面101、102、103和104中的每一个侧面上的通过焊接形成的周边密封。所述焊接还可以用于为所述堆100提供结构完整性。

所述堆100可以以垂直对齐且并行设置的平板为导向，以促进所述工艺流体和所述热交换流体的流动。作为选择，所述堆100可以以这样一种方式对齐：使得所述平板为水平方向或与水平方向成一定角度。所述堆100可以被焊接至其侧面歧管150、160、170和180。这些歧管可以被用于支持反应物进入所述堆100的流动、产物离开所述堆100的流动以及热交换流体进入和离开所述堆100的流动。当在所述热交换层中实施燃烧反应时，所述歧管中的两个歧管可以被用于支持燃料和空气进入所述堆100的流动。同样，当在所述热交换层中实施燃烧反应时，排气出口190可以被焊接至所述堆100的顶部，用于除去排气。

在其侧面焊接有歧管150、160、170和180并且在其顶部焊接有排气出口190的堆100，可以被称为微通道处理器192。参见图4和5，微通道处理器192可以被设置在密闭容器193中。所述密闭容器193可以包括上盖194、密闭部分195、支撑腿196、密闭气入口197、温度控制端口198和位于密闭部分195的底部的排放端口（图中未示出）。入口管和出口管151、161、171和181从相应的歧管150、160、170和180延伸，并穿过所述上盖194。相似地，排气出口开口191从排气出口190延伸穿过上盖194。所述密闭容器193可以在其内表面和/或在其外表面上包括适当的隔离层，并且所述密闭容器可以使用任何能够为想要的最终用途提供结构完整性的材料构造。这些材料可以包括：钢（例如不锈钢、碳钢等）；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；含有任意前述金属的合金；蒙乃尔合金；因科镍合金；黄铜；聚合物（例如热固性树脂）；陶瓷；玻璃；包括一种或多种聚合物（例如热固性树脂）和玻璃纤维的复合物；石英；硅；或其中两种或更多种的组合物。所述密闭容器可以由碳钢构造，并且可以在260℃额定为450psig（3.10MPa）。所述密闭容器193的外径（OD）可以是任何为了预期用途的期望尺寸。例如，对于SMR反应器，所述密闭容器的OD可以是大约30英寸（76.2cm），或大约32英寸（81.3cm），或大约36英寸（91.4cm）。所述密闭容器的高度可以是大约24到大约200英寸（大约61到大约508cm），或大约48到大约72英寸（大约122到大约183cm），大约60英寸（大约152cm）。

所述密闭容器可以包括控制机构，以使所述密闭容器内的压力保持在至少与所述堆内的压力一样高的水平。用于保持所述密闭容器内的压力的控制机构可以包括止回阀和/或压力调节器。所述止回阀或调节器可以程序控制，以在所述密闭容器的任意期望的内部压力（例如大约400psig（2.76MPa））下激活。所述止回阀和调节器之一或全部可以与管、阀、控制器等的系统结合使用，以保证所述密闭容器内的压力保持在至少与所述堆内的压力一样高的水平。这样做部分为了保护用于密封所述堆的外周焊接。所述密闭容器中的压力明显减小，而所述堆中的压力没有相应地减小，可能导致外周焊接的高代价破坏。所述控制机构可以被设计成：在由密闭气产生的压力减小的情形中，允许将一种或多种工艺气送入所述密闭容器中。

在替代实施方式中，可以使用外骨骼为所述堆100提供结构支撑。这在图32中被示出。所述外骨骼可以包括一系列与所述堆的端板的大部分外表面保持紧密接触的加强构件。这些构件的刚度可以抵抗堆叠方向（即，与所述平板的平面正交的方向）上的弯曲。所述外骨骼可以被焊接至所述堆。作为选择，所述外骨骼可以通过钎焊、粘合或其它方式附着至所述堆。

采用外骨骼时，焊接的加强构件可以具有长方形的横截面，所述长方形横截面以较长的侧面平行于载荷施加的方向为取向，以增大抵抗弯曲应力的刚度。这可以允许使用较薄的平板，并且减小用于支撑同等载荷所需的材料的重量和成本。

外骨骼可能优于夹具。夹具可以比外骨骼更易于移除，特别是如果采用螺栓将夹具固定在合适的位置或夹具由快速释放机构制成。为了移除，外骨骼通常需要被剪断或磨削。具有设有螺纹紧固件的厚平板的夹具可以被使用。然而，因为在弯曲方向上所述螺旋紧固件不会被施加载荷，所以对于弯曲应力，用于这些夹具的平板需要是足够强硬的。对于由作用在平板上的压力产生的力所形成的完全拉伸应力，所述螺旋紧固件需要是足够强硬的。在另一方面，在这两种情形中，所述外骨骼都对平板提供额外的支撑。

所述堆100可以包括一个或多个重复单元，其中每个重复单元相同并且每个单元包括一个或多个工艺层和一个或多个热交换层。例如，重复单元可以包括1到大约100，或1到大约20，或1到大约10，或1到大约5，或1到大约3，或大约2个工艺层；和1到大约100，或1到大约20，或1到大约10，或1到大约5，或1到大约3，或大约2个热交换层。所述重复单元可以水平对齐且一个单元在另一个单元之上堆叠，所述重复单元可以垂直对齐且并排放置，或者它们可以与水平方向成一定角度对齐。在每个重复单元中，所述工艺层和热交换层可以按工艺层与热交换层相邻（该热交换层进而与另一个工艺层相邻，而该另一个工艺层进而与另一个热交换层相邻，依此类推）的交替顺序对齐。作为选择，两个或更多个工艺层和/或两个或更多个热交换层可以彼此相邻设置。

参见图6，当堆100适于实施SMR反应时，所述工艺层可以包括反应物层、产物层和设置在所述反应物层与产物层末端处的以使得流体从反应物层流至产物层的工艺U形转弯。所述反应物层可以与所述产物层相邻设置。在所述工艺层中，所述反应物可以与催化剂接触并且反应以形成产物，所述产物然后流出所述工艺层。所述热交换层可以包括燃料层、与所述燃料层相邻设置的空气层、设置在所述燃料层与空气层之间的热交换壁、多个位于热交换壁中以使得空气从所述空气层流入所述燃料层的开口或喷嘴、设置在所述燃料层中的燃烧催化剂、排气层以及设置在所述燃料层的末端处与所述排气层的末端处的以使得排气从所述燃料层流至所述排气层的热交换U形转弯。

当所述堆100适于用作SMR反应器时，如图7和图8示出的重复单元110可以被用于构建所述堆。如图7所示，重复单元110包括两个彼此相邻设置的热交换层和设置在所述热交换层的每一侧的SMR工艺层。所述重复单元110包括10个如图8中所示的为了例示的目的而被相互分离的平板，但在实际使用中所述平板将相互接触。每个平板的外周边缘可以被焊接至下一个相邻平板的外周边缘，从而为所述堆提供外周密封。所述重复单元110包括平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290。每个平板的每个侧面可以包括微通道、内部歧管、位于每个平板表面上的毛细管特征和/或表面特征；并且每个平板可以包括空气开口或喷嘴，和/或穿过平板以使得两个SMR工艺层与两个燃烧层起作用的U形转弯或开口或槽。每个平板可以使用已知的技术制备，所述已知的技术包括线放电加工、传统加工、激光切割、光化学加工、电化学加工、冲压加工、蚀刻（例如化学、光化学或等离子体蚀刻）以及它们的结合。

在以下关于平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290的对齐的讨论中，是参照如图8所画的每个平板的顶表面和底表面而言，尽管如上所述，当被设置在堆100中并且被用于SMR反应时，所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290可以垂直对齐，而不是如图8中所示的水平对齐。

参见图8，平板200具有顶表面201和底表面202。平板210具有顶表面211和底表面212。平板220具有顶表面221和底表面222。平板230具有顶表面231和底表面232。平板240具有顶表面241和底表面242。平板250具有顶表面251和底表面252。平板260具有顶表面261和底表面262。平板270具有顶表面271和底表面272。平板280具有顶表面281和底表面282。平板290具有顶表面291和底表面292。在运行中，如箭头310和311所示，来自SMR反应的产物从右向左流动（如图8所例示的）。如箭头300和301所示，SMR过程的反应物从左向右流动。燃料在箭头320和321所示的方向上从左向右流动。空气在箭头330和331所示的方向上从左向右流动。在每种情形中，分隔所述空气层与热交换层的壁包含开口或喷嘴332或333，以允许空气从空气层流入燃料层，与燃料混合以形成燃料-空气混合物，然后进行燃烧。如箭头340和341所示，来自燃烧反应的排气从右向左流动。SMR催化剂层350、351、352和353用于催化SMR反应。燃烧催化剂层360和361用于催化燃烧反应。

所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290可以具有共同的长度和宽度，以便使重复单元110具有平坦的或平面的侧面以及平坦的或平面的顶部和底部。每个平板的长度可以是，例如，在大约30到大约250厘米，或在大约45到大约150厘米的范围内，或大约29英寸（73.66cm）。每个平板的宽度可以是在大约15到大约90cm，或在大约20到大约40cm的范围内，或大约10.74英寸（27.28cm）。每个平板的高度或厚度可以相同或不同，但是，为了便于制造的目的，使每个平板都具有相同的高度或厚度是有利的。每个平板的高度或厚度可以在大约0.8到大约25mm，或大约1.5到大约10mm的范围内，或为大约0.125英寸（3.175mm）。所述重复单元110的总高度可以是大约0.1到大约5英寸（大约0.254到大约12.7cm），或大约0.5到大约3英寸（大约1.27到大约7.62cm），或大约0.75到大约2.5英寸（大约1.91到大约6.35cm），或大约1到大约1.5英寸（大约2.54到大约3.81cm）的范围内，或大约1.25英寸（3.175cm）。所述堆100的总高度可以是大约1到大约50英寸（大约2.54到大约127cm），或大约3到大约24英寸（大约7.62到大约60.96cm），或大约7到大约15英寸（大约17.78到大约38.1cm）的范围内，或大约10.125英寸（25.72cm）。有一个例外，所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290中的每个平板都具有微通道、内部歧管、在所述平板表面上形成的毛细管特征和/或表面特征，和/或穿过平板为反应物、产物、燃料、空气和排气的流动提供的开口或喷嘴，或U形转弯开口或槽。所述的一个例外是平板200的顶部201，由于所述平板200可能用作所述堆100的端板，因此所述平板200的顶部是空白的。在以下的讨论中，术语“空气”、“空气层”、“空气通道”等的使用被用于将空气称为在所述燃烧层中所实施的燃烧反应中的成分。然而，如下所述，所述燃烧反应可以采用作为空气替代物的氧气源，比如纯氧、富氧的空气或包含氧气和惰性气的气态混合物。因此，当空气层、空气通道等在本发明装置的结构的表述中被提及时，应该理解的是，任一前述的替代物均可以取代空气。

每个微通道的深度可以在大约0.05到大约10mm、或大约0.05到大约5mm、或大约0.05到大约2mm、或大约0.1到大约2mm、或大约0.5到大约2mm、或大约0.5到大约1.5mm、或大约0.08到大约1.2mm的范围内。每个微通道的宽度可以宽至大约10cm、或为大约0.1到大约10cm、或为大约0.5到大约10cm、或为大约0.5到大约5cm。

所述内部歧管可以被用于流入或流出所述微通道的质量流提供均匀分布。每个内部歧管可以被用于支持流体流入或流出大约2到大约1000个微通道、或2到大约100个微通道、或大约2到大约50个微通道、或大约2到大约10个、或大约2到大约6、或大约4个微通道。每个歧管的深度可以相当于连接至所述歧管的微通道的深度。每个歧管的宽度可以相当于连接至所述歧管的微通道组合后的宽度，或相对于所述组合后的宽度的大约1到大约99%、或大约1到大约90%，以提供期望的流入或流出所述微通道的流动阻力。在所述微通道之间质量流分布的均匀性可以通过下述的质量指数因子（Q-因子）定义。0%的Q-因子意味着绝对的均匀分布。

$Q=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\max }-{\stackrel{\·}{m}}_{\min }}{{\stackrel{\·}{m}}_{\max }}\×00$

在上述公式中“m”指的是质量流。横截面积的变化可以导致壁上的剪切应力不同。在一个实施方式中，本发明的微通道处理器的Q-因子可以小于大约50%、或小于大约20%、或小于大约5%、或小于大于1%。

所述表面特征和/或毛细管特征可以包括来自一个或多个平板表面的凹陷或突出。所述表面特征可以是圆形、球形、半球形、截头锥形、椭圆形、正方形、长方形、直角矩形、棋格形、人字形、叶片形、翼形、波浪形等。还可以使用前述的两种或多种的组合。所述表面特征可以包括亚特征，其中在所述表面特征的主壁（major wall）上进一步包括较小的表面特征，所述较小的表面特征可以采用刻痕、波浪、凹痕、洞、毛边、棋格、扇形等形式。所述表面特征可以被称为被动表面特征或被动混合特征。所述表面特征可以被用于扰乱流动（例如扰乱层流流线）并且产生与总体流动方向成一定角度的平流流动。每个表面特征的深度或高度可以在大约0.05到大约5mm、大约0.1到大约5mm、大约0.1到大约3mm、大约0.1到大约2mm、大约0.4到大约2mm、大约0.5到大约1.5mm、大约0.08到大约1.2mm的范围之内。

在热交换层中，将空气通道与燃料通道分隔的平板可以包括开口或喷嘴332或333，以允许空气从空气通道流入燃料通道。这些开口或喷嘴可以具有在大约0.1到大约10mm、或大约0.1到大约5mm、或大约0.1到大约2.5mm、或大约0.25到大约1.25mm、或大约0.25到大约0.75mm的范围内，或大约0.015英寸（0.381mm）的平均直径。多个开口或喷嘴，例如，大约2到大约5个、或大约2到大约4个、或大约3个开口或喷嘴可以在每个位置处平行设置，以控制流动分布并且防止火焰扩散进入空气通道。作为选择，所述喷嘴可以沿所述反应通道的长度轴向或横向偏移。可以使用的开口或喷嘴的数量可以在每cm²大约0.1到大约12个开口或喷嘴、或每cm²大约0.1到大约5个开口或喷嘴的范围内。

一些平板包括U形转弯开口或槽以允许流体从一个平板表面流向另一个平板表面。每个U形转弯开口或槽的间隙或宽度可以是在大约0.25到大约5mm、或大约0.5到大约2.5mm的范围内，或大约0.04英寸（1.02mm）。

每个平板在其侧面具有外周边缘和与每个外周边缘相邻的边框。每个边框可以具有在大约1到大约100mm、或大约1到大约75mm、或大约5到大约50mm、或大约10到大约30mm的范围内的厚度。

所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290可以由任意金属或金属合金构建，所述金属或金属合金具有满足结构完整性所需要的性质，以在用于预期的最终应用的温度和压力下运行。所述金属或金属合金可以包括：钢（例如不锈钢、碳钢等）；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；含有任意前述金属的合金；蒙乃尔合金；因科镍合金；黄铜；或其中两种或多种的组合。如下所述的因科镍合金617可以被使用。

图9-18分别例示了所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290中的每个平板的顶部或底部。参见图9，平板200具有顶表面201，由于所述顶表面201可以被用作所述堆100的端板的外表面，因此该顶表面是空白的。底表面202包括内部歧管203，所述内部歧管203可以被用于使来自SMR反应的产物如箭头310所示的那样流出所述堆100。平板200的每侧，即平板表面201和202，具有边框208。所述平板200包括外周边缘209，所述外周边缘位于所述平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘209中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当使用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘209，与位于至少平板200的表面202上的所述边框208的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘209除去，并导致所述边框208的一部分也被除去。

图10例示了平板210。顶表面211包括微通道213和内部歧管213A，所述内部歧管213A可以被用于使来自SMR反应的产物按照箭头310所指的方向流动。所述微通道213包括表面特征214，所述表面特征214可以被用于扰乱流过所述工艺微通道213的产物的流动。底表面212包括微通道215和内部歧管216，所述内部歧管216可以被用于使SMR反应物按照箭头300所指的方向流动。所述微通道215包括反应区217，在所述反应区217中，用于SMR反应的催化剂被涂敷在所述微通道上。所述反应物，可以包括甲烷和蒸汽的混合物，流过所述反应区217，接触催化剂并反应生成产物。所述产物可以包括一氧化碳和氢气的混合物。所述平板210包括U形转弯开口217A，以使得产物从所述工艺微通道215流向工艺微通道213。所述平板210的每侧，即平板表面211和212，具有边框218。所述平板210包括外周边缘219，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘219中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当使用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘219，与位于平板210的每个侧面上的所述边框218的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘219除去，并导致所述边框218的一部分也被除去。

图11例示了平板220。顶表面221包括涂敷有SMR催化剂的工艺微通道223和用于重新分配SMR反应物的流动和/或保留被涂敷在通道中的催化剂的表面特征224。底表面222包括涂敷有燃烧催化剂的微通道225和用于重新分配燃料的流动和/或保留被涂敷在通道中的催化剂的表面特征或毛细管表面特征226。所述平板220的每侧，即平板表面221和222，具有边框228。所述平板220包括外周边缘229，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘229中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘229，与位于平板220的每个侧面上的所述边框228的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘229除去，并导致所述边框228的一部分也被除去。

图12例示了平板230。顶表面231包括微通道233和内部歧管234，所述内部歧管234被用于使燃料按照箭头320所指的方向流动。底表面232包括微通道235和内部歧管236，所述内部歧管236被用于使空气按照箭头330所指的方向流动。所述平板包括开口或喷嘴332，以使得空气穿过所述平板从微通道235流入微通道233，在所述微通道233中空气可以与燃料混合形成燃料-空气混合物。所述平板230包括开口或槽237以为来自微通道233的排气的流动提供U形转弯。所述平板230的每侧，即平板表面231和232，具有边框238。所述平板230包括外周边缘239，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘239中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘239，与位于平板210的每个侧面上的所述边框238的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘239除去，并导致所述边框238的一部分也被除去。

图13例示了平板240。顶表面241包括内部歧管243，所述内部歧管243被用于使空气按照箭头330所指的方向流动。所述顶表面241还可以包括表面特征244以重新分配空气的流动。底表面242包括微通道245，所述微通道245被用于使排气按照箭头340所指的方向流动。所述平板240包括开口或槽246，为使排气从平板230的微通道233流向平板250的微通道253提供U形转弯。所述平板240的每侧，即平板表面241和242，具有边框248。所述平板240包括外周边缘249，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘249中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，在所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘249，与位于平板240的每个侧面上的所述边框248的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘249除去，并导致所述边框248的一部分也被除去。

图14例示了平板250。顶表面251包括微通道253，所述微通道被用于使排气按照箭头340所指的方向流动。底表面252包括微通道254，所述微通道254被用于使排气按照箭头341所指的方向流动。所述平板250的每侧，即平板表面251和252，具有边框258。所述平板250包括外周边缘259，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘259中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘259，与位于平板250的每个侧面上的所述边框258的一部分接触。在翻新期间，可以例如通过铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘259除去，并导致所述边框258的一部分也被除去。

图15例示了平板260。顶面261包括微通道263，所述微通道263被用于使排气按照箭头341所指的方向流动。底表面262包括内部歧管263，所述内部歧管被用于使空气按照箭头331所指的方向流动。所述底表面还包括表面特征265以重新分配空气流。所述平板260包括开口或槽266，以为使排气从平板280的微通道283流向平板250的微通道254提供U形转弯。所述平板260的每侧，即平板表面261和262，具有边框268。所述平板260包括外周边缘269，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘269中的每个都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘269，与位于平板260的每个侧面上的所述边框268的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切，将所述焊接材料从所述外周边缘269除去，并导致所述边框268的一部分也被除去。

图16例示了平板270。顶表面271包括微通道273和内部歧管274，所述内部歧管274被用于使空气按照箭头331所指的方向流动。底表面272包括微通道275和内部歧管276，所述内部歧管276被用于使燃料按照箭头221所指的方向流动。所述平板包括开口或喷嘴333以使空气穿过所述平板270从微通道273流入微通道275，在所述微通道275中空气可以与燃料混合形成燃料-空气混合物。所述平板270包括开口或槽277，以为来自微通道275的排气的流动提供U形转弯。所述平板270的每侧，即平板表面271和272，具有边框278。所述平板270包括外周边缘279，所述外周边缘在平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘279中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘279，与位于平板270的每个表面上的所述边框278的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘279除去，并导致所述边框278的一部分也被除去。

图17例示了平板280。顶表面面281包括涂敷有燃烧催化剂的工艺微通道283和用于重新分配燃料的流动的表面特征284。底表面面282包括涂敷有SMR催化剂的微通道285和用于重新分配SMR反应物的流动的表面特征286。所述平板280的每侧，即平板表面281和282，具有边框288。所述平板280包括外周边缘289，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘289中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘289，与位于平板280的每个表面上的所述边框288的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切，将所述焊接材料从所述外周边缘289除去，并导致所述边框288的一部分也被除去。

图18例示了平板290。顶表面291包括微通道293和内部歧管293A，所述内部歧管293A可以被用于使SMR反应物按照箭头301所指的方向流动。底表面292包括微通道294和内部歧管295，所述内部歧管295可以被用于使SMR产物按照箭头311所指的方向流动。所述微通道294包括表面特征296，所述表面特征296可以被用于扰乱流过工艺微通道294的产物的流动。所述微通道293包括反应区297，在所述反应区297中，所述微通道上涂敷有用于SMR反应的催化剂。所述反应物，可以包括甲烷和蒸汽的混合物，流过所述反应区297，接触催化剂并反应生成产物。所述产物可以包括一氧化碳和氢气的混合物。所述平板290包括U形转弯开口297A，以使产物从所述工艺微通道297流向工艺微通道294。所述平板290的每侧，即平板表面291和292，具有边框298。所述平板290包括外周边缘299，所述外周边缘位于平板的四个侧边中的每侧上。在所述堆100或重复单元110的制备中，所述外周边缘299中的每个外周边缘都具有应用于其上的焊接材料。当应用焊接材料时，在所述焊接材料通常渗透超过所述外周边缘299，与位于平板290的每个表面上的所述边框298的一部分接触。在翻新期间，可以通过例如铣削、磨削和/或剪切将所述焊接材料从所述外周边缘299除去，并导致所述边框298的一部分也被除去。

SMR催化剂层350、351、352和/或353，和/或燃烧催化剂层360和/或361可以被直接洗涂（washcoated）在微通道的内壁上，或从溶液中直接生长在所述壁上。可以通过使用掩膜将所述催化剂层选择性地喷涂在微通道的壁上，以使涂敷保持在仅期望的位置中，例如在流动通道之内并且大体在不是目标流道的平板之间的界面区域之外。本发明的一个优势在于所述催化剂层可以在平板成堆前被应用于平板。每个催化剂的横截面积可以占据所述微通道的横截面积的大约1到大约99%、或大约10到95%。所述催化剂层可以具有根据BET测定的大于大约0.5m²/g、或大于2m²/g的表面积。所述催化剂可以具有任意的表面积且特别有利的是具有在大约10m²/g到1000m²/g、或大约20m²/g到大约200m²/g的范围内的表面积。

所述催化剂层可以包括界面层以及沉积在所述界面层上的或与所述界面层混合的催化剂材料。在所述微通道表面与所述界面层之间可以设有缓冲层，所述缓冲层可以生长或沉积在所述微通道表面上。所述缓冲层可以具有与所述界面层不同的成分和/或密度。所述缓冲层可以包括金属氧化物或金属碳化物。所述缓冲层可以包括Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂或其组合。所述Al₂O₃可以是σ-Al₂O₃、γ-Al₂O₃或其组合。所述缓冲层可以被用于增强所述界面层到所述微通道的粘附性。所述界面层可以包括氮化物、碳化物、硫化物、卤化物、金属氧化物、碳或其组合。所述界面层可以为载体催化剂提供高表面积和/或催化剂-载体相互作用。所述界面层可以包括任何可以用作催化剂载体的材料。所述界面层可以包括金属氧化物。可以使用的金属氧化物的实例可以包括Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、TiO₂、氧化钨、氧化镁、氧化钒、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化锌、氧化钼、氧化锡、氧化钙、氧化铝、镧系氧化物、沸石和其组合。所述界面层可以用作催化活性层，在所述界面层上不含任何其他沉积于其上的催化活性材料。所述界面层可以与催化活性材料或催化活性层组合使用。所述界面层也可以由两个或更多个组成不同的亚层形成。所述界面层的厚度范围可以是大约0.5到大约100μm、或大约1到大约50μm。所述催化剂材料可以沉积在所述界面层之上。作为选择，所述催化剂材料可以与所述界面层同时沉积。所述催化剂材料可以被分散在所述界面层之上和/或之内。这种所述催化剂材料可以被“分散”或“沉积”在所述界面层上，包括微观催化剂颗粒可以被分散：在所述界面层表面之上、在所述界面层的裂缝中和/或在所述界面层中的开孔中的常规理解。

作为选择，SMR催化剂层350、351、352和/或353，和/或燃烧催化剂层360和/或361可以分别包括颗粒状固体的固定床。中值粒径（median particle diameter）可以在大约1到大约1000μm、或大约10到大约500μm的范围内。

SMR催化剂层350、351、352和/或353，和/或燃烧催化剂层360和/或361可以包括用于保留催化剂颗粒的泡沫。所述催化剂层可以包括涂敷的泡沫，包括石墨泡沫、碳化硅、金属（例如含有Fe、Cr、Al和Y的Fecralloy合金）、陶瓷和/或用于高热导涂层的石墨烯的内部涂层。

所述SMR催化剂或燃烧催化剂可以负载在多孔的载体结构（比如泡沫、毡、填料或其组合）上。术语“泡沫”在本文中被用来指具有连续壁的结构体，其包括沿所述结构体的长度或遍及所述结构体设置的孔。所述孔可以位于所述连续壁的表面上并且用于将催化剂材料（例如催化剂金属颗粒）粘附到所述泡沫结构体的壁上。术语“毡”在文中被用来指在其间具有填隙空间的纤维结构体，像钢绒。所述催化剂可以被负载在整块的蜂窝状结构体上、被负载在包括一个或多个翅片的翅片结构体上或被负载在密纹载体上。

所述SMR催化剂层350、351、352和/或353，和/或燃烧催化剂层360和/或361可以包括分级催化剂。所述分级催化剂可以具有不同的催化活性位点的更新率。所述分级催化剂可以具有作为沿所述层中反应路径或位置的距离的函数而变化的物理性质和/或形态。

所述堆100或重复单元110可以通过将所述平板按期望的顺利一个堆叠在另一个之上组装而成。所述堆然后可以被压缩使平板相互接触并减小平板之间的空隙。可以使用通过螺栓组件施加载荷的夹具实施所述压缩，或通过使用外部压力以对所述堆施加载荷而实施所述压缩。然后可以通过将每块平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘而将所述平板结合在一起。这可以在所述堆的四个侧面的每个侧面上进行。以这种方式，可以在所述堆上设置外周密封。所述夹具或外部压力可以在焊接完成后移除。每个焊接的厚度可以厚至大约10mm、或在大约0.25到大约10mm的范围内、或在大约0.25到大约8mm的范围内、或在大约0.25到大约6.5mm的范围内、或在大约0.25到大约5mm的范围内、或在大约0.5到大约3mm的范围内、或在大约0.75到大约3mm的范围内、或在大约1到大约2mm的范围内、或在大约1到大约1.5mm的范围内、或大约1.27mm。使用尽可能薄地焊接是有利的，这使得可以进行尽可能多的次数的翻新。所述焊接材料，可以是焊丝的形式，可以包括任意金属或任意金属合金。所述焊接材料可以包括钢（例如不锈钢、碳钢等）；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；含有任意前述金属的合金；蒙乃尔合金；因科镍合金；黄铜；或其中两种或更多种的组合。所述焊接材料和平板可以由相同的金属或金属合金，或者不同的金属或金属合金制成。所述平板和焊接材料可以包括以下所讨论的因科镍合金617。所述焊接技术可以包括钨极惰性气体焊接、金属惰性气体焊接、电子束焊接、激光焊接等。激光焊接可能是特别有利的。

这种制造方法的优势在于消除了对于扩散接合和/或钎焊所需的表面处理要求。为了获得优良的扩散接合和/或钎焊，表面必须非常干净且平整。消除所述钎焊和/或接合步骤还消除了将组装的堆加热至扩散接合和/或钎焊所要求的高温的这种需要。对于扩散接合和/或钎焊，加热和冷却所述堆所需的能量将是可观的，对于不产生过度的应变和最终的变形的扩散接合和/或钎焊而言，加热和冷却所述堆所需的时间也将是可观的。采用本发明的制造方法，可以消除接合和/或钎焊步骤的使用，从而可以用较低的成本和较少的时间制造具有高质量的微通道处理器。

可以通过从加压的密闭容器中移除所述堆100，并且从所述堆移除焊接的歧管而翻新所述微通道处理器。然后可以通过从所述平板的外周边缘移除焊接材料；分离平板；修复所述平板中的缺陷；重组平板堆；以及将每个平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘，从而通过为所述堆提供新的周边密封而翻新所述堆100。所述焊接材料可以使用任意常规技术（比如铣削）移除。当所述平板100包含一种或多种催化剂时，所述催化剂可以在重组所述堆之前替换或再生。不能被修复的单个平板可以被替换。

期望的是，在组装所述堆时在所述平板的外周边缘采用相对薄的焊接，以便限制外周焊接的熔深。通过限制所述外周焊接的熔深，在每个平板的边框被缩至所述平板不再有用的程度之前，所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和290可以经历多次翻新过程。例如，每个平板的边框可以具有大约15mm的厚度，如果在每次翻新过程中所述边框被铣削1.5mm，那么在被废弃前所述平板可以翻新10次。

在替代的实施方式中，所述平板200、210、220、230、240、250、260、270、280和/或290中的一个或多个平板可以包括内部焊接以防止在同一平板中流体从一个微通道流到另一个微通道。可以使用激光焊接器实施所述内部焊接。所述焊接器可以是程控的、自动的或半自动的，以跟随每个平板上期望的微通道壁，所述平板在进行外周焊接前进行内部焊接。可以使用由与所述平板相同的材料制成的焊丝。

对于SMR反应，根据以下化学方程式，甲烷和蒸汽在催化剂存在下反应生成一氧化碳和氢气的混合物：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

所述反应物混合物还可以包括氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等中的一种或多种。由该反应所生成的产物可以被称为合成气。所述SMR反应是需要热量的吸热反应。可以通过在所述热交换层中实施的燃烧反应供应上述反应所需的热量。所述燃烧反应可以包括燃料与氧气或氧气源的反应。所述燃料可以包括氢气、甲烷、烃类燃料(例如柴油燃料、燃料油、生物柴油等)，或其中两个或两个以上的混合物。所述氧气源可以包括氧气、空气、富氧空气或包括氧气和惰性气体(例如氦、氩等)的气体混合物。

所述SMR催化剂可以包括任意SMR催化剂。对于SMR反应，所述活性催化剂材料或元素可以包括Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、或其中两种或两种以上的混合物。所述活性催化剂材料或金属可以被负载在Al₂O₃、MgO、MgAl₂O₄、CeO₂、SiO₂、ZrO₂、TiO₂、或其中两种或两种以上的组合。

所述燃烧催化剂可以包括任意燃烧催化剂。所述活性催化剂材料或元素可以包括一种或多种贵金属，比如Pt、Rh、Pd、Co、Cu、Mn、Fe、Ni；这些金属中的任意金属的氧化物、钙钛矿和/或铝酸盐。所述燃烧催化剂可以伴随有活性增强促进剂，比如Ce、Tb或Pr、它们的氧化物、或其中两种或两种以上的组合。所述燃烧活性催化材料或元素可以由合适的载体负载。所述载体可以包括Al₂O₃、MgO、MgAl₂O₄、SiO₂、ZrO₂、TiO₂、或其中两种或两种以上的组合。

当所述微通道中采用催化剂时，所述微通道的特征是具有总体流路径。术语“总体流路径”指的是在所述工艺微通道中的开放路径（连续总体流动区域）。连续总体流动区域允许流体快速流过所述微通道而没有大的压降。在一个实施方式中，在总体流动区域中的流体的流动可以是层流的。在一种替代实施方式中，在总体流动区域中的流体的流动可以是在转捩（transition）中或是湍流的。在还有的另一个实施方式中，所述流动遍及流动线路可以具有两种或更多种流态，由此在所述流动路径的至少一部分中的所述流动处于如大约2000到大约5000的雷诺数所限定的过渡流态中。所述总体流动区域可以包括含有催化剂的微通道的横截面的大约5%到大约95%，并且在一个实施方式中大约30%到大约80%。

可以使用不同于燃烧反应的方法在所述热交换层中提供加热或冷却。当采用不同于通过使用燃烧反应的加热或冷却时，可以使用可以是任意流体的热交换流体。所述流体可以包括空气、蒸汽、液态水、蒸汽、气态氮、其它包括惰性气体的气体、一氧化碳、熔盐、油（比如矿物油）、气态烃、液态烃、热交换流体（例如可以从Dow-Union Carbide获得的Dowtherm A和Therminol）、或其中两种或两种以上的混合物。“Dowtherm”和“Therminol”是商标。所述热交换流体可以包括一种或多种反应物流和/或一种或多种产物流。

所述热交换通道可以包括在其中进行吸热或放热过程的工艺通道。这些热交换通道可以是微通道。在所述热交换通道中进行的过程可以包括与所述工艺微通道中进行的反应的传热性(thermicity)相反的化学反应。例如，SMR反应（可以在所述工艺微通道中进行的吸热反应）与燃烧反应（可以在所述热交换通道中进行的放热反应）。可以在所述热交换通道中进行的吸热过程的实例可以包括脱氢或重整反应。所述放热反应可以包括燃烧反应、其它放热氧化反应等。在所述热交换通道中使用放热或吸热反应用于加热或冷却，可以提供增强的加热或冷却效果，这可以使通常热通量能够比在不存在所述放热或吸热反应下所提供的热通量高出大约一个数量级或更多。

所述热交换流体在流过所述热交换通道时可以经历部分或全部相变。这种相变可以将超出由对流冷却所产生的热量的额外热量从所述工艺通道除去。对于正在蒸发的液态热交换流体，从所述过程通道转移的额外热量可能是由热交换流体蒸发所需的潜热造成。这种相变的一个例子是诸如经历部分沸腾的油或水的热交换流体。

在所述热交换通道中的热交换流体可以具有在大约100℃到大约800℃、或大约250℃到大约500℃的范围内的温度。所述热交换流体与所述工艺微通道中的工艺流体之间的温差可以高至大约50℃、或高至大约30℃、或高至大约10℃。所述热交换流体在所述热交换通道中的停留时间可以在大约1到大约1000ms、或大约1到大约500ms、或大约1到大约100ms的范围内。对于热交换流体，其流入所述热交换通道中的压力降可以高至大约0.01MPa/cm、或大约10MPa/cm。所述热交换流体在所述热交换通道中的流动可以是层流的或在转捩中。热交换流体在所述热交换通道中的流动的雷诺数可以高至大约50000、或高至大约10000、或高至大约2300、或在大约10到大约2000、或在大约10到大约1500的范围内。

所述反应物可以流入所述反应区与催化剂接触，产生高至大约100000、或高至大约10000、或高至大约100的雷诺数。所述雷诺数可以在大约200到大约8000的范围内。

热交换流体在所述微通道处理器中的热通量可以在大约0.1到大约500瓦特每平方厘米的所述微通道处理器中的热传递壁的表面积（W/cm²）、或大约0.1到大约350W/cm²、或大约1到大约250W/cm²、或大约1到大约100W/cm²、或大约1到大约50W/cm²的范围内。

在所述微通道中，反应物与催化剂（包括SMR催化剂和燃烧催化剂）的接触时间可以在大约1到大约2000毫秒（ms）、或大约1到大约1000ms、或大约1到大约500ms、或大约1到大约250ms、或大约1到大约100ms、或大约1到大约50ms、或大约2到大约1000ms、或大约2到大约500ms、或大约2到大约250ms、或大约2到大约100ms、或大约2到大约50ms的范围内。

对于所述微通道中的流体流动，气体每小时的空速（GHSV）可以在大约500到大约2000000hr^-1的范围内。

当流体在所述微通道中流动时，所述流体的压降可以高至大约0.01MPa每厘米的所述微通道的长度）（MPa/cm）、或高至大约0.1MPa/cm、或高至大约1MPa/cm、或高至大约10MPa/cm。

所述工艺流体在微通道中的流动可以是层流的或在转捩中、或是湍流的。热交换流体在所述微通道中的流动的雷诺数可以高至大约10000、或高至大约5000、或高至大约2500、或高至大约2300、或在大约100到大约5000、或在大约100到大约3500、或在大约100到大约2300的范围内。

在所述工艺层的微通道中流动的流体的表观速度可以为至少大约10米每秒（m/s）、或在大约10到大约200m/s的范围内、或在大约20到大约150m/s的范围内、或在大约30到大约100m/s的范围内、或在大约50到大约90m/s的范围内。

本发明的焊接的SMR反应器提供了涉及提高或增大热传递水平的优点。在所述反应器的催化剂部分中，每单位接触时间的总反应热可以是在大约90到大约150kW/ms、或在大约110到大约130kW/ms的范围内。在所述反应器的反应器部分中，每单位接触时间的总反应热可以是在大约55到大约75kW/ms、或在大约60到大约70kW/ms的范围内。在所述反应器的总反应器核心中每单位接触时间的总反应热可以是在大约30到大约50kW/ms、或在大约30到大约40kW/ms的范围内。对于反应器，每单位压力降的总反应热可以是在大约2到大约20W/Pa、或大约2到大约10W/Pa、或大约2到大约5W/Pa的范围内。

实施例1

使用Chemcad模拟了采用图1-20中例示的类型的微通道反应器的SMR过程。Chemcad是可购自Chemstations Deutschland GmbH的过程模拟软件程序。所述反应器采用了8个图7和8中示出的重复单元110。每个重复单元具有10个平板并且因此所述重复单元总共提供了80个平板。第81个平板被结合至位于所述堆的底部的平板290的表面292上。该81个平板中的每个平板都具有29英寸（73.66cm）的长度、10.74英寸（27.28cm）的宽度和0.125英寸（3.175mm）的厚度。每个平板的表面积为2009.4cm²。总共的堆高度为10.125英寸（25.72cm）。使用激光焊接将所述平板的外周边缘焊接在一起。每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘。平均焊接熔深为1.27mm。每个平板的平均表面积(2009.4cm²)与焊接的平均熔深(1.27mm)的比值为1580cm²/mm。

每个平板以及焊接材料均由因科镍合金617制成，所述因科镍合金617包含镍、铬、钴、钼、铝。因科镍合金617可购自A-1Wire Tech公司，并且具有如下成分和性质：

化学成分,重量%:

Ni.-最少44.5

Cr-20.0-24.0

Co-10.0-15.0

Mo-8.0-10.0

Al-0.8-1.5

C-0.05-0.15

Fe-最多3.0

Mn-最多1.0

Si-最多1.0

S-最多0.015

Ti-最多0.6

Cu-最多0.5

B-最多0.006

破裂强度（1000h）

MPa

650℃ 320

760℃ 150

870℃ 58

980℃ 25

1095℃ 10

物理常数和热性质

密度:8.36mg/m³

熔化范围:1330-1380℃

比热:419J/kg·℃

热导率:13.6W/m·℃

每个平板中的微通道具有0.040英寸（1.016mm）的深度。每个微通道的宽度是0.160英寸（4.064mm）。位于所述空气通道与燃料通道之间的热交换壁中的每个开口或喷嘴具有0.015英寸（0.381mm）的直径。

当640个工艺微通道被用于所述SMR反应时，所述SMR反应器的生产能力是大约3500SLPM的甲烷或天然气进料。所述SMR反应器可以被用于生产用在一个、两个或多个与中间过程收集（intermediate process collection）相串联操作的费托反应器中的合成气。所述费托反应器可以被用于生产合成燃料。所述合成气可以在送入费托反应器前经由中间过程单元（例如膜或其它单元操作）进行优化，以使氢气与一氧化碳的比例减小至大约2:1。对于SMR反应器，在该反应器入口处的蒸汽与碳的比例约为2.3:1。蒸汽与甲烷的比例为2:1。对于燃烧反应，使用大约过量15%的空气。可以使用过量范围为大约5%到大约50%的空气。可以使用更高水平的过量空气，但是由于需要预热未使用的空气，使用如此高水平的空气可能使效率降低。在SMR反应中，在223.2psig(1.54MPa)的压力和850℃的温度下，对于甲烷转化的过程平衡是76.1%。在223.2psi(1.54MPa)的压力和850℃的温度下，CO/(CO+CO₂)为68.8%。在所述SMR过程侧的反应器核心压力降高至60psi(0.414MPa)并且在燃料/空气侧高至34psid(0.234MPa)。用于所述反应器的标称设计基础在下表1中示出。

表1

*热交换/流动分布界面；

**反应/热交换界面。

实施例2

一种四通道、全长度的SMR焊接反应器被建造、运行、翻新并且随后运行。全尺寸的反应器预期具有20年的寿命以及大致10次翻新循环。所述反应器模仿全尺寸微通道SMR的内部特征和长度。翻新过程包括歧管移除、平板分离、改造及清洁选定数量的平板、将催化剂添加到翻新的平板和重新组装。反应器的生产能力和反应性能在翻新后是可重复的。

图23中示出了反应器的概图。参见图23，所述反应器具有两个层，即，工艺层和燃烧层。所述工艺层包括反应物通道和产物通道。所述燃烧层包括燃料通道、空气通道和排气通道。在所述反应物通道和产物通道内进行SMR反应。在燃料通道内进行燃烧反应，以提供SMR反应所需的热量。

所述反应器被分为三个部分：

1、热交换器-该部分从排气流和产物流中回收热量，并且利用该热量预热燃料、空气和反应物流。

2、反应器部分-在该部分中进行SMR反应和燃烧反应。

3、入口部分（图23中未示出）-该部分为流至所述微通道的流动提供入口/出口连接和分配。

所述热交换器部分的长度为8英寸（20.3cm）。所述反应器部分的长度为13英寸（33cm）。所述反应器的每种类型的通道（反应物、产物、燃料、空气和排气）具有四个通道。每个通道的宽度为0.16英寸（4.06mm）。每个通道的间隙或高度为0.04英寸（1.02mm）。

空气经由圆形开口或喷嘴从所述空气通道流入燃料通道。空气与燃料在所述燃料通道中混合以形成燃料-空气混合物，所述燃料-空气混合物经过燃烧以产生用于SMR反应的热量。空气与燃料的混合在喷嘴部分中进行，所述喷嘴部分的长度为8.5英寸（21.6cm）。在所述喷嘴部分中，存在26个彼此间隔0.34英寸（0.86cm）的轴向位置，其中在每个位置设有一个或多个喷嘴。每个喷嘴具有0.015英寸(0.381mm)的直径。在某些轴向位置，存在多个用于空气分布的喷嘴。

图24中示出的示意图示出了在跨过所述燃料通道的0.16英寸（4.06mm）的宽度的轴向位置上布置的两个或三个喷嘴。对于具有一个喷嘴的轴向位置，所述喷嘴位于所述燃料通道的宽度的中心。

来自所述燃烧反应的排气流过如图23中所示弯曲的U形转弯，并作为排气流进入所述排气通道。所述排气流在离开所述反应器前被用于预热所述热交换器部分中的燃料流和空气流。

由燃烧反应产生的热量通过固体壁传递至反应物通道和产物通道，以加热SMR反应。所述SMR反应物流入所述反应物通道，在催化剂的存在下，以及在来自燃烧反应的燃烧热的作用下，经过反应，形成目标产物，即合成气。所述产物流流过图23中示出的U形转弯。所述产物流在离开所述反应器前预热所述热交换器部分中的反应物流。

如图25中所示，利用开放式柱形物使四个产物通道之间是连通的，以在通道堵塞的情形中，如果需要，重新分配流动。积碳、催化剂脱层或进入的颗粒可能导致出现通道堵塞。

图23中示出了毛细管特征。这些特征为浅凹槽的形式。所述凹槽可以具有在大约10到大约500微米、或大约30到大约250微米、或大约50到大约100微米的范围内、或者大约80微米的深度。所述凹槽可以跨过所指通道的部分或全部宽度。这些特征在所述通道壁上形成，以便为所述催化剂提供更好的粘附性。

图23给出了所述反应器核心的概图。图23中示出的反应器核心采用六个使一个堆叠在另一个上的平板制成。所述微通道形成在所述平板中，并且所述平板组合在一起形成用于所述燃烧流和SMR流的流动路径。将所述平板标识如下：

平板1：产物或P平板

平板2：反应物/产物或RP平板

平板3：催化剂或Cat平板

平板4：燃料/空气或FA平板

平板5：空气/排气或AE平板

平板6：排气或E平板

平板2到5具有0.125英寸（3.18mm）的厚度。平板1和平板6具有0.25英寸（6.35mm）的厚度。

平板1：P-平板

图26示出了P-平板的示意图。所述P-平板的总尺寸为23.32"(59.2cm)×1.82"(4.6cm)×0.25"(6.3mm)。这是SMR反应器核心堆中的最外面的平板。在所述平板的外表面上，标识R、P、A、F和E分别表示用于反应物流、产物流、空气流、燃料流和排气流的入口歧管/出口歧管的位置。在面向所述堆的表面上，加工出尺寸为0.16"(4.06mm)×1.32"(3.3cm)×0.04"(1.016mm)的用于产物歧管的袋形区（pocket）。所述面向所述堆的表面的外周（如图26中视图2所示）是有倒角的（0.031"(0.8mm)×45°)，用于焊接装配。

平板2：RP-平板

图27示出了RP-平板的示意图。所述RP-平板的总尺寸为23.32"(59.2cm)×1.82"(4.6cm)×0.125"(3.1mm)。该平板位于所述P-平板与所述Cat-平板之间。在与P-平板相邻的表面（如图27中视图1所示）上，加工出四个产物通道。所述产物通道之间的壁具有用于流体连通的连接物。这些连接物被称为断肋（broken ribs）。所述断肋的尺寸在图27中被示出。所述产物通道的深度为0.04"(1.016mm)。所述断肋区的总长度为21.5"(54.6cm)。

所述RP平板的另外的表面（即面向所述Cat-平板的表面），具有如图27中视图2所示的反应物通道。如图27所示，存在四个连接至反应物入口歧管的反应物通道。所述四个反应物通道和反应物歧管的宽度和深度分别为0.16"(4.06mm)和0.04"(1.016mm)。所述四个反应物通道被0.06"(1.52mm)宽的肋隔开。在该平板的反应器部分中加工出毛细管特征。所述毛细管特征部分的长度是13"(33cm)。这在图27中被示出。SMR催化剂被应用到所述毛细特征和所述将所述反应物通道隔开的肋的侧壁上。所述平板的外周是有倒角的（0.031"(0.79mm)×45°）用于焊接装配。

加工出尺寸为0.82"(2.08cm)×0.1"(2.54mm)的通槽，以使得燃烧排气流至所述排气通道。

平板3：Cat-平板

图28示出了Cat-平板的示意图。所述Cat-平板的总尺寸为23.32"(59.2cm)×1.82"(4.6cm)×0.125"(3.1mm)。该平板位于RP平板与FA平板之间。在面向RP平板的侧面上，如图28中视图1所示，加工出毛细管特征。应用有SMR催化剂的区域与图27中RP平板上的有毛细管特征的区域重叠。所述SMR催化剂被应用在所述毛细管特征上。

所述Cat-平板面向所述FA平板的侧面也具有毛细管特征。如图28中视图2所示，在该区域中的毛细管特征重复了所述平板的另一侧面（面向RP-平板）上的毛细管特征在离所述毛细管特征0.25"(6.35cm)处加工有尺寸为0.82"(2.08cm)×0.3"(7.6cm)×0.02"(0.51mm)的袋形区。在所有平板组装后，该袋形区防止可能造成操作不稳定的燃料的回燃（back burning）。

在所述平板中的21个轴向位置处，在所述平板的厚度方向上钻有孔，以测定在反应器运行期间的温度。这些孔的直径为0.034"(0.86mm)并且深0.91"(2.31cm)。

所述平板的外周是有倒角的（0.031"(0.78mm)×45°），用于焊接装配。

平板4：FA-平板

图29示出了FA-平板的示意图。所述FA-平板的总尺寸为23.32"(59.2cm)×1.82"(4.6cm)×0.125"(3.1mm)。该平板位于Cat-平板与AE-平板之间。

在面向Cat-平板的侧面上，加工出四个被连接至燃料歧管的燃料通道。所述燃料歧管以及燃料通道的宽度为0.16"(4.06mm)，并且所述燃料歧管以及燃料通道的深度为0.04"(1.016mm)。所述燃料歧管的长度为1.32"(3.4cm)。所述燃料通道的连续性在离所述平板的最靠近燃料歧管的较短边缘9.27"(23.5cm)处被破坏。燃料通道中的这种不连续性与所述Cat-平板中的袋形区特征重叠，以防止燃料的回燃。

在所述平板的另一侧面（面向AE平板）上，加工出四个被连接至空气歧管的空气通道。所述空气歧管以及空气通道的尺寸（宽度和深度）与所述燃料通道和燃料歧管的尺寸相同。

所述燃料通道和空气通道通过喷嘴连接在一起。图29中示出了这些喷嘴的位置。每个喷嘴的直径为0.015"(0.38mm)。存在26个相隔0.34"(8.6mm)的轴向喷嘴位置。一些轴向位置具有多个喷嘴。在表3中示出了对于在不同轴向位置的喷嘴总数和喷嘴布置的总结。

加工出尺寸为0.82"(2.1cm)×0.04"(1mm)的通槽，以使得来自燃烧反应的排气流至所述排气通道。

所述平板的外周是有倒角的（0.031"(0.8mm)×45°），用于焊接装配。

平板5：AE-平板

图30中示出了AE-平板的示意图。所述AE-平板的总尺寸为23.32"(59.2cm)×1.82"(4.6cm)×0.125"(3.1mm)。该平板位于所述FA-平板与所述E-平板之间。

在所述AE平板面向FA平板的侧面上，如图30（视图1）所示，加工出歧管槽和10个再分配槽。所有槽的宽度为0.16"(4.06mm)，并且深度为0.04"(1.016mm)。在所述AE平板上的歧管槽与所述FA-平板上的歧管槽重叠，以形成所述歧管。所述空气歧管槽与第一再分配槽之间的间距为0.16"(4.06mm)，并且第一再分配槽与第二在分配槽之间的间距为0.16"(4.06mm)。其它再分配槽之间的间距为0.06"(1.52mm)。

在所述AE平板的另一侧面（面向E-平板）上，除了以下描述的通槽外，没有其它特征。

加工出尺寸为0.82"(2.1cm)×0.04"(1mm)的通槽，以允许燃烧排气流至所述排气通道。

所述平板的外周是有倒角的（0.031"(0.8mm)×45°），用于焊接装配。

平板6：E-平板

图31中示出了AE-平板的示意图。所述AE-平板的总尺寸为23.32"(59.2cm)×1.82"(4.6cm)×0.25"(6.3mm)。这是所述SMR反应器核心堆中的最外面的平板，距离所述P-平板最远。在所述平板的外表面上，标识R、P、A、F和E分别表示用于反应物流、产物流、空气流、燃料流和排气流的入口歧管/出口歧管的位置。在面向所述堆的面上，加工出四个排气通道。每个排气通道均为0.16"(4.06mm)宽和0.04"(1.016mm)深。所述排气通道的长度为22.78"(57.9cm)。

面向所述堆的表面的外周（如图26中视图2所示）是有倒角的（0.031"(0.8mm)×45°），用于焊接装配。

为了微通道的完整性，围绕所述反应器核心设有外骨骼形式的支撑物，以支撑高工艺压力。这在图32中被示出，图32是最终反应器的示意图。

所述反应器使用0.125英寸(0.318cm)厚的因科镍合金617平板构建。所述平板以及平板中的微通道特征通过采用传统的加工制成。所述毛细管特征可以采用激光加工、光化学铣削或加工、或者其它移除金属的方法添加。喷嘴可以通过使用激光钻孔制备。

在制造出所述平板以及平板中的特征之后，所述平板采用电化学气相沉积铝化过程镀铝并且在1050℃下热处理，以形成可粘附的氧化铝皮。所述氧化铝皮层可以防止平板在运行期间粘结，以便于翻新或能够进行翻新。

在热处理后，在所述工艺通道的两侧上涂敷有大约30mg/in²(4.65mg/cm²)的SMR催化剂(20%Rh负载在28%MgO-72%Al₂O₃的尖晶石载体上)。采用喷涂涂敷按照大约30mg/in²(4.65mg/cm²)的应用涂敷水平将燃烧催化剂(35wt%Pt和8wt%Pd负载在具有镧系载体的气相Al₂O₃上)涂敷在喷嘴冲击壁或燃料壁上。在焊接前，将所述催化剂应用至开放的平板上。该方法允许直接接近表面，并且能够对涂敷的催化剂进行质量控制。同样，所述直接接近使得翻新容易，以剥离废催化剂并重新应用。所述开放的平板允许在工艺层的内部、或跨过工艺平板、或从层到层使用一种或两种或更多种催化剂，以适应或优化工艺性能。

所述催化剂（SMR和燃烧）仅应用在反应器部分。图33中示出了表示SMR催化剂和燃烧催化剂的位置的示意图。所述SMR催化剂被喷涂在所述毛细管特征以及由RP平板与Cat-平板形成的反应物通道的侧壁上。采用由碳钢制成的掩膜，以便于涂敷催化剂。图34中示出了用于涂敷SMR催化剂的掩膜的示意图。

所述燃烧催化剂被涂敷在由Cat-平板与FA平板形成的燃料通道中的毛细管特征上。所述FA平板的燃料壁部分地涂敷有催化剂。由AE平板与E-平板形成的排气通道涂敷有燃烧催化剂。

这些平板被焊接在一起，以形成反应器核心。采用钨极惰性气体保护焊。在每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘的地方采用外部焊接。所述焊接具有大约0.03英寸(0.762mm)到0.08英寸(2.032mm)的平均熔深。每个平板具有272.3cm的表面积。因此，所述平均表面积与平均熔深的比值为134.0到357.4cm²/mm。在焊接之前，在边缘处的铝化合物被磨去。支撑肋形式的外骨骼、大型歧管和管道被添加至所述核心。

所述为多通道测试设备形式的反应器，由六个在组装之前经过热处理和催化剂涂敷的CVD镀铝平板组成。所述翻新过程包括外骨骼的移除、排气歧管的移除和平板的分离。

在翻新期间，所述核心被从外骨骼支撑体上移除。下一步是移除反应物歧管、产物歧管、燃料歧管、空气歧管和排气歧管。所述排气歧管最后移除。开始的四个歧管需要先移除它们的0.25英寸(0.635cm)的管道。采用CAD输入或程序逻辑以准确地加工部件的计算机数控（CNC）铣削机，被用于加工每个歧管的焊接周边。这样做，使得每个歧管的焊接周边被加工除掉，允许将歧管拉离所述设备。所述排气歧管也是通过加工掉焊接而移除。随着核心上的歧管被全部去掉，通过铣削周边焊接而使所述平板分离。起始的铣削目标是移除40密耳（1.02mm）的材料。在一些区域中看上去所述平板已经被分离，但不能被拉开。从周边再移除20蜜耳（0.51mm）。所述核心被再次夹紧到位。使用钳子将所有平板拉开。总共60密耳（1.53mm）的材料被加工掉，以充分移除焊接，从而使得平板分离。

随着平板的分离，检查每个平板。在翻新过程中改造所述U形转弯-将长方形插入物添加到所述U形转弯中以减小原始尺寸。不经过另外的表面制备或处理，将所述插入物焊接到位。改造三个燃烧侧平板（FA、AE和E）。

先在去离子水浴中然后在丙酮浴中，使用低功率且低频的超声波清洁所有的平板。每一步进行30分钟。所述催化剂没有出现脱层或破坏。

将催化剂涂敷在靠近改造过的喷嘴的部分FA平板中。将改造过的催化剂布置应用于开始的16个喷嘴上，其中催化剂被设置在所述0.16"(4.064mm)宽的通道的外边缘上，在每一侧上涂敷1mm的催化剂，并且保留中央2mm处不被涂敷。

燃烧催化剂被涂敷在顶部排气通道壁和底部排排气通道壁上。所述催化剂跨过四个通道中的每个通道的整个0.16"(4.064mm)宽度涂敷。在壁与插入通道间的肋之间形成金属至金属的接触的区域中屏蔽催化剂。

在以上改造完成后，所述反应器被重新堆叠。在P平板中存在大约0.2英寸(5.08mm)的弯曲。在堆叠完后，一旦对齐便将所述平板夹紧到位，这可以减轻弯曲现象。所述核心被外周焊接并且新的外骨骼支撑体被焊接至所述堆。

所述反应器在高生产能力和高热通量的条件下操作。公开了两组操作条件。这些操作条件在以下表2和表3中被示出。

表2

表3

在过程紊乱后，进行了几次反应器启动和重新启动。它们在表3中被示出。启动2发生在下游设备中出现压力降之后。在关停后，所述设备（不锈钢设备）在重新启动运行前被因科镍合金设备替换。启动3发生在出现工艺水入口损失（其中大约2分钟没有蒸汽进入SMR）之后。在该紊乱期间，在系统联锁之前，所述反应器负荷壁上的峰值纪录温度升至1065℃。在联锁时，在比较循序渐进的冷却开始之前，所述峰值温度在40秒内下降了200℃。启动4发生在添加了几个外部加热器以减少热损失之后。对于所有的情形，所述反应器的性能回复到等效的性能和目标性能。该结果在图36到图40中被示出。

用反应器实施了额外的试运行，所述试运行包括添加更多甲烷到燃烧燃料中。甲烷燃烧显然比氢气更有挑战性。在披露的条件1和条件2中，燃料中存在以体积计为1.5%的甲烷。在燃烧燃料中甲烷的量增大至18%并且在该范围中（1.5%、3%、6%、10%和18%）不存在可检测到的甲烷排放物。检测极限是大概100ppm甲烷。对于所有的情形，过量空气的标称量是15%，但是在一些试运行中，过量空气的量更低。对于6%甲烷的燃料，当过量空气的量低至10%时，出口排气的温度中存在某些不稳定性。该结果在图41到44中被示出。

实施例3

在焊接的SMR反应器中的非原位催化剂涂层：

SMR反应器具有两种类型的催化剂：1）用于燃烧燃料的催化剂，所述燃料为SMR反应提供能量，和2）用于SMR反应的催化剂。这些催化剂优选涂敷在微通道的壁的仅仅一部分上、在预先确定的发生反应的位置。

采用扩散接合的SMR反应器的制造包括在非常高的温度（例如超过大约1000℃）将垫片和平板接合。由于这种高温的作用，仅在所述反应器核心扩散接合之后应用所述催化剂。然而，在所述反应器核心扩散接合之后，微通道是不可见的，并且采用填充和排出技术将催化剂应用至所述微通道的壁上，其中用催化剂溶液或浆料填充微通道然后将所述溶液或浆料排出，在重力的辅助下实现所述排出。这可以被称为原位工艺或原位方法。它也可以被称为原位洗涂（washcoating）。这种将催化剂应用至微通道的壁上的原位方法具有以下不足：

1.通常需要多次填充和排出循环，以将催化剂涂层应用至壁上。

2.负载在壁上的催化剂通常较薄（在4次填充和排出循环后～5到10mg/in²）。

3.由于微通道是不可见的，该方法对微通道内的催化剂流动控制少。将催化剂选择性地应用至特定的轴向或横向位置很困难。也不可能产生轴向不连续的涂层，其中催化剂将被添加至所述反应通道长度的一部分上，接着被添加至没有催化剂的断续区，然后被添加至有催化剂的第三区。

4.原位洗涂是一种缓慢的过程。甚至单个微通道的设备可能需要多至一周的时间用于催化剂涂敷。在商业规模的设备(>100kg/hr的工艺流速)上涂敷催化剂需要复杂的用于涂敷的附加歧管。图45示出了用于涂敷具有多个微通道的SMR反应器的一套设备的示意图。

5.因为毛细作用力将溶液带至较高的位置，因此所述催化剂难以在反应器中保持在特定的高度，尤其在设备角落或缝隙。

6.应用催化剂的原位方法需要大量的催化剂以涂敷小面积。由于使用歧管系统用于填充或排出催化剂溶液，因此开始时需要大量的催化剂溶液。然而，实际上只有一小部分这种催化剂溶液留在了反应器中。而被排出反应器的催化剂溶液然后用途有限并且通常不得不在使用后一或两次之后便被废弃或者回收。

根据本发明的用于制造SMR反应器的焊接方法使得涂敷催化剂的方法简单、快速且准确。通过焊接较少的平板，所述焊接方法可以被用于代替高温扩散接合多个垫片的方法。对于焊接所需的高温可以被局限在平板的边缘并且不影响需要应用催化剂的微通道。因此，所述催化剂可以在平板焊接之前非原位地应用。

采用应用催化剂的非原位方法，可以使用简单的方法应用催化剂溶液，比如通过喷枪利用空气喷嘴。由于此时的微通道是完全可见的，如图46中所示，不需要催化剂的位置可以轻易地被掩盖掉。同样，不同的催化剂可以被应用至同一微通道内的特定位置，以获得良好性能。可以通过使用参照试样来确定所述涂层的覆盖水平，所述试样可以在涂敷之前和之后称重，以确定涂敷的催化剂的量。

在应用催化剂之后，在焊接平板以构造SMR反应器之前，在空气中干燥所述平板。然后可以在大约450℃下焙烧所述SMR反应器，以在所述微通道的壁上形成最终的催化剂。

相比现有的原位催化剂涂敷方法，所述非原位催化剂涂敷方法具有几个优点。这些优点可以包括：

1.所述非原位技术明显比原位涂敷技术快。反应器通常可花费大约一周的时间来用于原位催化剂涂敷，而采用异位方法能够在一天内涂敷完所述反应器。

2.非原位涂层能够对被应用的催化剂的位置、种类和质量进行控制。

3.使用非原位涂敷方法可以实现催化剂负载水平的良好再现性。

4.催化剂以外的涂层也可以在涂敷催化剂之前或之后被添加至平板，或者被添加至组合的不含催化剂的平板之上。

5.由于采用非原位涂敷能够控制应用的位置，只有少量的催化剂溶液被浪费，因此所述非原位涂层允许制备较少量的催化剂溶液。

设计、制造多通道SMR反应器并测试其性能。使用所述非原位方法将所述燃烧催化剂和SMR催化剂应用于平板。所述燃烧催化剂被应用至Cat-平板（面向燃料通道）和A-E平板（排气通道）。所述工艺催化剂被应用至Cat平板（面向反应物通道）和R-P平板（反应物通道）。

对于催化剂应用，制备包括用于涂敷平板的期望的催化剂的浆料。使用如图47所示的掩膜板。图47中还示出了掩膜板的横截面视图。所述掩膜板由碳钢制成，尽管它也可以由任意坚硬的或柔韧的金属制备。所述掩膜被设计成用于覆盖所述多通道反应器中的四个工艺通道。每个待涂敷催化剂的通道的横截面积为0.16英寸乘13英寸（0.41cm乘33.0cm）。所述掩膜板之外的区域使用施工带遮掩。

使用Paasche Airbrush Set应用所述催化剂溶液，单作用，虹吸进料，外部混合，采用32-35psi(0.22-0.24MPa)的压力用于浆料喷涂，使用#1喷嘴设置。图48示出被遮盖的平板在涂敷之后的照片。负载所述R-P平板上的催化剂为25mg/in²(3.87mg/cm²)。

实施例4

添加涂层或层以抵抗SMR反应器中的金属粉化：

在一氧化碳（CO）气体的存在下，基于铁、镍或钴的合金可能易受金属粉化腐蚀的影响。尽管已努力研发对金属粉化腐蚀更有抵抗力的新金属合金，但目前仍没有可商业购买的可免受金属粉化腐蚀的合金。需要研发涂层以保护所述合金免受金属粉化腐蚀的影响。尽管金属粉化的问题可以发生在任何镍或含铁金属或金属合金上，用于该实施例的合金为因科镍合金617（一种含有Ni、Cr、Fe、Mo、Al和Co的合金）。

当金属粉化开始时，产生的坑可以腐蚀穿过通道的压力边框。进一步地，通过CO+CO生成C(s)和CO₂的Boudouard反应，所述坑易于导致形成结焦。一旦结焦开始，它通常以丝状体形式继续生长，可以完全或部分堵塞微通道。通道堵塞可能导致多通道设备中的流动分布不均、性能下降，并且压降更高。

所述涂层可以用于防止气体分子（比如CO）触及金属合金。所述涂层本身不会产生金属粉化，并且可以与使用的环境相容。

所述涂层包括单层涂层。所述涂层材料可以包括陶瓷，比如氧化铝。

所述涂层不应有缺陷，比如针孔或微裂纹，以防止气体分子触及下面的合金。所述涂层可以是不透气的。陶瓷通常易碎并且容易开裂。金属涂层可以包括铜、铬、银、金、其中两种或以上的混合物，以及其它惰性金属或贵金属。使用金属涂层可能也存在问题。一个问题可能是在金属涂层与基底合金之间可以发生相互扩散。金属粉化可以在大约450℃到750℃的温度范围内发生。在该温度范围内，金属涂层与基底合金之间的相互扩散是可预期的。随着时间推移，Ni、Co和Fe可能从合金扩散出到达涂层，使得涂层的抵抗力或防护性减弱。涂层材料向内扩散进入合金也可能对合金的性质造成不良改变。另一个问题涉及使得涂层没有缺陷，比如针孔。尽管难以生产无缺陷的涂层，但增大涂层的厚度通常可以减少缺陷（像针孔）的群体密度。

图49示出了在暴露于金属粉化环境中不同的持续时间之后涂敷有铜的因科镍合金617试样。所述试样逐步失去其亮铜的外观，但没有发生金属粉化腐蚀。同样，在运行2000小时后没有明显的重量损失。这在图49中被示出。通过对比，未被涂敷的因科镍合金617试样在1000小时后有可见的洼点，并且在运行2400小时后被严重腐蚀。这在图50中被示出。图50中示出的重量损失是腐蚀的附加证据。

在暴露863小时之后被铜涂敷的试样的横截面分析显示了Ni扩散进入Cu涂层并且微裂纹在涂层中发展。这在图51中被示出。这表明铜可以是在短期防止金属粉化的保护涂层。

为了防止所述涂层与基底之间的相互扩散，可以使用扩散阻挡层。一种陶瓷涂层比如氧化铝可以作为良好的阻挡层，因为金属通常不会扩散穿过陶瓷。

用于抵抗金属粉化性时，两层涂敷体系可以比单层涂敷更起作用。第一层可以包括扩散阻挡层，例如陶瓷涂层，比如氧化铝涂层。所述氧化铝涂层可以直接沉积在基底上，或通过热处理含金属合金的铝形成热生长氧化铝皮。一些商业可购买的合金是氧化铝前体（alumina formers）。这种含铝金属合金的实例可以包括因科镍合金693（一种含镍、铬和铝的合金）和哈氏合金214（一种含镍、隔、铝和铁的合金）。对于其它合金，铝化可以使合金的表面转化为铝化物，以作为扩散涂层。然后可以通过热处理所述铝化合金使得氧化铝皮热生长。

第二层可以包括有韧性并作掩护的金属涂层。可以采用的材料包括Cu、Cr、Al、Ag、Au、其中两种或更多的混合物，以及其它不易金属粉化的金属，例如金属碳化物。这些可以包括两种或更多金属的复合物，如合金或者双层或三层涂层。

第二层可以包括陶瓷涂层，使得涂层体系完全为陶瓷。尽管陶瓷涂层可能易于开裂，采用两层可以减小在两层中产生对齐的裂纹使得下面的基底合金暴露的可能性。使用因科镍合金617试样，图52示出了这样一种碳化钛位于氧化铝上的两层陶瓷涂层。如图52所示，尽管存在轻微的质量损失，被涂敷的试样比图50中未涂敷的试样的性能表现更好。

第二层可以包括仍然柔韧的但具有与基底更匹配的CTE(热膨胀系数)的合金涂层。实例可以包括Al-Cu合金、Al-Ag合金、Al-Cr合金、Cu-Cr合金等。采用含铝合金作为第二层的额外好处涉及它在表面形成氧化铝皮的可能性，无论是在使用之前通过专门的热处理还是在使用中自然形成。

通过在含铝涂层的上方形成氧化铝皮，涂层体系变为三层体系。层数的增多可以减小产生穿过所有层对齐造成下面的基底合金的不期望的暴露的针孔的可能性。氧化铝涂层也可以直接沉积在金属合金上。可以采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）实现氧化铝沉积。

进一步增多层的个数可能是有益的。举个例子，因科镍合金617的试样可以被铝化并被热处理，以产生热生长氧化铝皮。所述氧化铝皮可以具有大约0.5到大约1.0微米的厚度。所述试样然后可以通过阴极电弧沉积被涂敷上铝铜层。测试了铝铜涂层的两种厚度。一种是20微米厚另一种是40微米厚。所述试样在氢气中950℃处理4小时。在处理后，所述试样的表面被氧化铝顶层覆盖。这些试样在100℃到850℃之间热循环12次。每个试样都未显示出涂层损失或破坏比如开裂、崩落或剥落。

试样然后与未被保护的试样一起测试抗金属粉化性。测试条件严酷，在380psig(1.62MPa)的压力和620℃的温度下测试。气体氛围包括58.4%H₂、18.4%CO、12.3%CO₂、6.1%N₂和4.9%CH₄。在所述气体氛围中缺少水蒸气，这使得测试异常具有挑战性的。测试700小时后，未被铝铜涂敷的试样显示出可见的损坏或重量损失。这在图53中被示出。相比之下，在仅250小时内，SS304试样便被严重腐蚀。在100到1000小时之间的期间，未被保护的因科镍合金617出现点蚀（Pitting）。

针对金属粉化的有效保护措施可以包括下列步骤：

步骤1：如果所述氧化铝皮中存在裂纹，那么处理含CO的气流的第一氧化铝皮可以提供抵抗气体侵入金属的第一道防线，。

步骤2：如果所述涂层中存在裂纹，那么不会受到CO的固有侵蚀的抗碳化涂层，比如Cu-Al合金，可以包括抵抗气体侵入金属的第二防线。

步骤3：如果所述氧化铝皮中存在裂纹，那么第二氧化铝皮提供抵抗气体侵入金属的第三防线。

步骤4：Cr-Mo惰性扩散层，可以由铝化过程形成，可以增强对于金属粉化的抗性。这在图54和55中被示出。图55中示出了金属侵蚀在该区域中停止。

步骤5：设有相互连接的通道的产品方案，所述通道包括含CO的气流。如果开始的四道防线失效并且由于出现点蚀而产生结焦，那么气体可以遍及所述设备重新分配，以保持反应器的运行。

步骤6：翻新-如果随着时间推移出现积炭并且所述重新分配不再有效，那么被焊接的平板可以被拆分并从表面除焦。可以在坑洼区上覆盖额外的防护涂层以使平板重新投入使用。

步骤7：替换-如果含有金属粉化的平板不能修复，那么当整个反应器被重新投入使用时，所述特定的平板可以被新平板取代-从而牺牲部分以挽救整体。

抗金属粉化涂层可以被选择性地涂敷于被设计成在易产生金属粉化的温度下（例如从大约450℃到大约750℃）操作的反应器位置中。本发明的反应器技术允许使用掩膜或其它手段以使涂层与更高或更低的温度区域分隔开，或与可以用于加工不会产生金属粉化的流体的通道分隔开。

实施例5

催化剂涂层的翻新：

SMR和燃烧催化剂预期可能随时间推移而失活。同样，不良的条件（比如由于不合适的运行条件而形成结焦）可能造成微通道的部分或完全堵塞，这导致性能不合格。在这种情况下如果SMR反应器具有翻新催化剂涂层或移除不想要的沉积物的能力是有利的。没有直接从接合的微通道的内部移除催化剂的方法。

本发明提供的焊接制造方式允许SMR反应器被拆卸成单个平板，从而使所有的平板与反应器被焊接之前一样可得。翻新SMR反应器中的催化剂的步骤可以如下：

1、将反应器拆分成单个的平板

可以移除围绕平板和歧管的焊接以释放平板。诸如传统的磨削方法和加工方法可以用于移除焊接。在平板被释放后，检查它们有无任何变形。如果平板变形，则可以用机械压平的热退火步骤对它们进行矫正，或可以用新的平板替换它们。

2、从平板移除催化剂

确定待移除催化剂的位置。优选可以用高纯的白色氧化铝颗粒（220磨料粒度）对该位置进行喷砂处理。可以改变所述氧化铝颗粒的强度，以便只移除催化剂。其它尺寸的磨料或材料可以被用于从壁上移除催化剂。用于从壁上移除用过的催化剂的替代方法可以包括超声处理和机械搅拌。图56示出了Cat-平板在喷砂处理之前和之后的对比。图57示出了R-P-平板在喷砂处理之前和之后的对比。

3、热处理（可选）

如果平板上的氧化铝皮被破坏，那么所述平板可以被热处理以补充氧化铝皮。一种热处理方法的实例包括：

a.在含18ppmO₂的Ar气的受控氛围中将平板从室温加热至1050℃.

b.在含21%O₂（以摩尔计）的Ar气中于1050℃加热处理所述平板10小时。

c.在含21%O₂（以摩尔计）的Ar气中将该平板冷却至室温。

作为选择，所述平板可以在敞开的箱炉中加热，或者通过被稀释的或未被稀释的空气的交替组合加热。

4.应用催化剂

采用与之前相同的方法应用催化剂。可以在所述平板上使用掩膜，以使催化剂仅被应用到期望的位置。在应用催化剂之后，可以在空气中干燥该平板。

5.焊接平板

所述平板可以采用与先前所讨论的相同的制造步骤而焊接在一起。首先焊接核心，接着是连接歧管连接和进口/出口管连接。

6.活化催化剂和运行反应器

所述反应器可以被安装在催化剂可以被活化的设备中。然后所述反应器可以准备运行。

实施例6

使用两个独立的反应器实施了SMR反应。第一反应器，被称为“焊接”反应器，采用根据本发明所述的外周焊接和非原位催化剂涂敷制成。另外的反应器，可以被称为“接合”反应器，采用扩散接合和原位催化剂涂敷制成。结果在下表4中被示出。

表4

虽然已经根据不同实施方式中对本发明进行了阐述，但是，应该理解的是，通过阅读说明书，这些实施方式的各种变型对于本领域技术人员来说将变得显而易见。因此，应该理解的是，文中所公开的发明意在涵盖这种落入附带的权利要求书的保护范围的变型。

Claims (36)

1.一种装置，其包括：多个位于堆中的平板，所述堆限定出至少一个工艺层和至少一个热交换层，每个平板具有30至250厘米的长度、15至90厘米的宽度和0.8至25毫米的厚度，每个平板均具有外周边缘，每个平板的外周边缘被焊接至下一个相邻平板的外周边缘，以使所述堆结合在一起并为所述堆提供周边密封，所述焊接为外周焊接，每个焊接的平均熔深是0.25至10毫米，所述相邻平板中的每个平板的平均表面积与所述相邻平板之间的焊接的平均熔深的比例至少为100cm²/mm。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工艺层包含蒸汽甲烷重整催化剂，并且所述热交换层包含燃烧催化剂。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中外骨骼被安装在所述堆的外部，为所述堆提供结构支撑。

4.如权利要求1或2所述的装置，其中端板被附着至所述堆的每个侧面，为所述堆提供结构支撑。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述工艺层包括在平板中形成的多个工艺微通道，所述装置包括内部焊接，以防止在同一平板中流体从一个工艺微通道流到另一个工艺微通道。

6.如权利要求1或2所述的装置，其中所述热交换层包括在平板中形成的多个热交换通道，所述装置包括内部焊接，以防止在同一平板中流体从一个热交换通道到另一个热交换微通道。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：焊接至所述堆的入口工艺歧管，以使得流体流入所述工艺层中；焊接至所述堆的出口工艺歧管，以使得流体流出所述工艺层；至少一个焊接至所述堆的入口热交换歧管，以使得流体流入所述热交换层中；和焊接至所述堆的热交换出口，以使得流体流出所述热交换层。

8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，每个工艺微通道包括含有催化剂的反应区。

9.如权利要求1或2所述的装置，其中所述工艺层包括多个适于提供流入所述工艺微通道中的反应物的大体均匀分布的内部歧管和/或多个适于提供流出所述工艺微通道中的产物的大体均匀分布的内部歧管。

10.如权利要求1或2所述的装置，其中所述工艺微通道包括表面特征和/或毛细管特征，所述表面特征是在通道壁和/或内部通道结构中，扰乱所述通道内的流动的凹陷或突出物。

11.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述工艺层包括反应物层和产物层以及设置在所述反应物层与产物层末端处的以使得流体从所述反应物层流向所述产物层的工艺U形转弯，所述产物层与所述反应物层相邻设置，所述工艺层适于在由一种或多种反应物反应形成产物的反应中使用，所述一种或多种反应物流入所述反应物层，与催化剂接触并反应形成产物，所述产物流出所述产物层。

12.如权利要求1或2所述的装置，其中所述热交换层包括燃料层、与所述燃料层相邻设置的空气层、设置在所述燃料层与空气层之间的热交换壁、多个位于所述热交换壁中的开口以使得空气经由所述开口从所述空气层流入所述燃料层、设置在所述燃料层中的燃烧催化剂、排气层以及设置在所述燃料层的末端处和所述排气层的末端处的以使得流体从所述燃料层流入所述排气层的热交换U形转弯，所述热交换层适于使得燃料流入所述燃料层、使得空气从所述空气层穿过位于所述热交换壁中的开口流入所述燃料层，以与燃料混合形成燃料-空气混合物，使所述燃料-空气混合物流动至与所述燃烧催化剂接触，以进行燃烧反应，产生热量和排气，所述热量为所述工艺层供热，所述排气穿过所述排气层流出所述热交换层。

13.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述热交换层包括燃料层，并且其中所述燃料层包括多个燃料通道和多个适于提供流入所述燃料微通道的燃料的大体均匀分布的内部歧管。

14.如权利要求1或2所述的装置，其中所述热交换层包括空气层，并且其中所述空气层包括多个空气微通道和多个适于提供流入所述空气微通道的空气的大致均匀分布的内部歧管。

15.如权利要求1或2所述的装置，其中所述热交换层包括燃料层，并且所述燃料层包括表面特征和/或毛细管特征，所述表面特征是在通道壁和/或内部通道结构中，扰乱所述通道内的流动的凹陷或突出物。

16.如权利要求1或2所述的装置，其中所述热交换层包括空气层，并且所述空气层包括表面特征和/或毛细管特征，所述表面特征是在通道壁和/或内部通道结构中，扰乱所述通道内的流动的凹陷或突出物。

17.如权利要求1所述的装置，其中所述堆被放置在密闭容器中，所述堆适于在高于大气压的内部压力下运转，所述密闭容器适于在高于大气压的内部压力下运转并且为所述堆的外表面提供压力应用，所述密闭容器包括控制机构，以保持所述密闭容器内的压力至少与所述堆中的内部压力一样高。

18.如权利要求1所述的装置，其中每个平板均具有活性区域和围绕所述活性区域的至少一部分的边框。

19.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，催化剂存在于所述工艺层和/或热交换层中，在焊接所述平板以形成所述堆之前，非原位地将所述催化剂应用于一个或更多个平板。

20.如权利要求1或2所述的装置，其中所述一个或更多个平板在这些平板的一个或更多个表面上具有防腐和/或防粘层。

21.如权利要求1或2所述的装置，其中所述一个或更多个平板在这些平板的一个或更多个表面上具有抗金属粉化层。

22.如权利要求1或2所述的装置，其中所述工艺层和/或热交换层中的平板包括表面，其中所述表面的一部分但不是所有表面具有位于其上的催化剂、防腐层和/或防粘层，和/或抗金属粉化层。

23.如权利要求1或2所述的装置，其中一个或更多个平板具有位于其上的一个或更多个表面保护层。

24.如权利要求1或2所述的装置，其中一个或更多个平板具有位于其上的表面保护层，所述表面保护层包括两个或三个层，每一层包括不同的材料组成。

25.如权利要求1或2所述的装置，其中一个或更多个平板具有位于其上的表面保护层，所述表面保护层包括三个层，第一层包括铜，第二层包括含铝金属合金，并且第三层包括金属合金。

26.如权利要求1或2所述的装置，其中一个或更多个平板具有位于其上的表面保护层，催化剂粘附至所述表面保护层。

27.一种用于形成前述权利要求中任一项所述的装置的方法，其包括：

形成平板堆；和

将每个平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘，以使所述堆结合在一起并提供周边密封。

28.一种用于翻新权利要求1-26中任一项所述的装置的方法，其包括：

从所述平板的外周边缘上除去焊接；

分离所述平板；

修复所述平板中的缺陷；

重新形成平板堆；和

将每个平板的外周边缘焊接至下一个相邻平板的外周边缘，从而使所述堆结合在一起并对所述堆提供周边密封。

29.一种使用权利要求1-26中任一项所述的装置实施单元操作的方法，其包括：

在所述工艺层中实施单元操作；和

在所述工艺层与热交换层之间换热。

30.一种使用权利要求1-26中任一项所述的装置实施蒸汽甲烷重整反应的方法，其包括：

在所述工艺层中，在催化剂的存在下使蒸汽与甲烷或天然气反应以形成合成气；以及

在热交换层中实施燃烧反应以为所述工艺层提供热量。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，甲烷流或天然气流在所述工艺层中的表观速度在10到200米/秒的范围内，接近蒸汽甲烷重整反应的平衡的至少80％，并且所述装置内的每压力降的反应热在2到20W/Pa的范围内。

32.如权利要求30所述的方法，其中所述蒸汽甲烷重整反应的接触时间高至25ms，接近蒸汽甲烷重整反应的平衡的至少80％，并且在所述装置内每压力降的反应热在2到20W/Pa的范围内。

33.如权利要求30所述的方法，其中每单位接触时间的反应热至少为20W/ms。

34.如权利要求30所述的方法，其中在所述装置内的每压力降的反应热在2到20W/Pa的范围内。

35.如权利要求30所述的方法，其中所述蒸汽甲烷重整反应可以实施至少2000小时而不会在所述平板的表面形成金属粉尘坑。

36.如权利要求30所述的方法，其中所述蒸汽甲烷重整反应实施了至少2000小时，并且在实施所述反应至少2000小时后，所述工艺层的压力降增加了不到所述方法开始时的压力降的20％。