JP2006505387A - マイクロチャネル装置内の触媒、及びそれを用いた反応 - Google Patents

Abstract

本発明は新しいマイクロリアクターシステム、触媒、及び化学的プロセスを提供する。又、製造方法、新規な触媒及び反応装置も提供する。

Description

本発明は、触媒、マイクロチャネル装置、及びマイクロチャネル中での反応実施方法に関する。

従来のリアクターに比べて改良された熱及び質量の移動可能なマイクロリアクターとは、非常に改良された効率を示す化学的プロセスを提供できる新型リアクターである。この効果を求めて、マイクロリアクター、触媒及びマイクロ−プロセスの開発への激しい努力がなされた。この技術の最近の研究は２３６の例を含み、Gavrilidisら、「マイクロ設計リアクターの技術及び応用」Trans.IChemE,80巻、Part A,3-30頁（１月２００２）により提供されている。
更に小チャネル中の反応に関する従来の研究は、ハニカム構造体中での反応が挙げられる。米国特許第５２４８２５１号では、Dalla Bettaらは可燃性ガス混合物は段階的触媒を有するモノリスを通過する部分的燃焼プロセスであり、その段階的触媒中ではサポートのリーディング部上の触媒はサポートのトレイリング部上の触媒よりも高い活性を有するプロセスを示した。
最近の水素リッチガス製造に関する特許文献では、部分的酸化触媒の層及び蒸気改質触媒の層を有するハニカム上の触媒を記載している。記載された例では、部分的酸化触媒は入口近くで最大濃度を有し、それは触媒構造の長さ方向にかけて減少し出口近くで実質的にゼロとなり；蒸気改質触媒は入口近くでほとんどゼロ濃度であり、触媒構造の長さ方向にかけて出口近くの最大濃度まで増加するように、触媒層が段階的である。
米国特許第５２４８２５１号明細書

従来のリアクターに比べて改良された熱及び質量移動を有することの出来るマイクロリアクターであり、化学的プロセスの非常に改良された効率を示すことが可能な新型リアクターである。

本発明は新しいマイクロリアクターシステム、触媒、及び化学的プロセスを提供する。又、本発明は、新規な触媒製造方法及び反応装置も提供する。
例えば、本発明は下記ステップを有する反応実施方法を提供する：１以上の反応物をマイクロチャネル中へ流入させるステップ、及び１以上の反応物をマイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させて１以上の生成物を形成するステップ。この場合、マイクロチャネルは実質的にマイクロチャネルの断面を占める段階的触媒を備える。上記段階的触媒は、１以上の反応物は触媒の一部の領域中で、その触媒の別の領域中よりもより高い濃度の触媒的活性材料へ曝されるような触媒的活性材料の分布を有する。ここで記載される全ての方法では、本発明は又、これら方法及び装置及び反応物及び／又は生成物を含むシステムを実施するための装置を含む。

又、本発明は：１以上の反応物をマイクロチャネル入口を通してマイクロチャネル中へ流入させるステップ；及び１以上の反応物をマイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させて１以上の生成物を形成するステップ；を有する反応実施方法を提供する。この場合、マイクロチャネルは、マイクロチャネル中のどこと比べても入口近くでより低い濃度の触媒的活性材料を有する段階的触媒を備える。この場合、マイクロチャネルはただ一つの触媒を備え、例えばマイクロチャネルには改質触媒及び部分的酸化触媒の両方は含まれない。段階的触媒は１以上の触媒元素（プロモーター金属を含有する様な）を含有してもよいが、段階的触媒は異なる触媒材料とは接触しない。更に、触媒は活性触媒であり、単なる触媒前駆体ではない。例えば、発熱反応（フィッシャー・トロプシュ反応等）の場合、触媒は好ましくは段階的であり、反応物濃度が最大で、最小の生成物量が存在する入口（又はその付近）では触媒量は最小であり、反応マイクロチャネルの長さ方向に沿って比較的少量の反応物しか残らない出口近くで触媒量が最大となるように増加し、放出される熱又は温度は流れ方向に沿って比較的均一となり、それは生成物を選択的に制御するために重要である。

又本発明は、マイクロチャネル、及びマイクロチャネル中に配置された段階的触媒を備えた装置であり、上記段階的触媒は、一部の段階的触媒での熱伝導性が、触媒の別の部分より通常少なくとも２５％、好ましくは少なくとも５０％（更に好ましくは少なくとも２００％）高くなるように変化する熱伝導性を有する装置を提供する。本発明は又、１以上の反応物を、熱伝導性が変化する段階的触媒を備えたマイクロチャネル中へ流入させるステップ；及び１以上の生成物を形成するステップにより化学反応を実施する方法を提供する。

更に、本発明は下記ステップを有する反応実施方法を提供する：１以上の反応物をマイクロチャネル入口を通してマイクロチャネル中へ流入させるステップ及び１以上の反応物をマイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させて１以上の生成物を形成するステップ。マイクロチャネルは、段階的触媒を備え、その触媒はマイクロチャネルの中心の近くの触媒中の触媒的活性材料の濃度よりもより高い濃度のマイクロチャネル壁の近くの触媒中の触媒的活性材料を有する。マイクロチャネル壁は、反応中に、熱がマイクロチャネル及び熱交換器間を移動するように熱交換器に近接している。熱の移動は全ての場合に必要ではないが、少なくとも反応の幾つかの時点、好ましくは実質的に全ての反応中で（開始開始熱用ではなく）熱が移動される必要がある。より多くの触媒を熱交換器に近接しているチャネル壁近くに配置すると熱移動の距離が狭まる。

又、本発明は下記ステップを有する反応実施方法を提供する：１以上の反応物を第一反応マイクロチャネル中へ流入させるステップ；及び１以上の反応物を第一反応マイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させるステップ。段階的触媒は第一反応マイクロチャネル中に配置される。段階的触媒は１以上の反応物は触媒のある領域では（その）触媒の別の領域よりもより高い濃度の触媒的活性材料へ曝されるような触媒的活性材料の分布を有する。反応中に、第一反応マイクロチャネル及び近接した第二反応マイクロチャネル間で熱が交換される。第一又は第二反応チャネルの一方では発熱反応が起こり、もう一方の反応チャネルでは吸熱反応が起こる。１以上の第一生成物は第一反応マイクロチャネル中で形成され、１以上の第二生成物は第二反応マイクロチャネル中で形成される。

更に、本発明は下記ステップを有する反応実施方法を提供する：１以上の反応物をマイクロチャネル中へ流入させるステップ、１以上の反応物をマイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させて１以上の生成物を形成するステップ。この場合、触媒は１以上の反応物は触媒のある領域では（その）触媒の別の領域よりもより高い濃度の触媒的活性材料へ曝されるような触媒的活性材料の分布を有する段階的触媒からなる。「からなる」とは、マイクロチャネルの長さ方向に沿ったどの場所でもただ一種の触媒が存在することを意味する（好ましくは、マイクロチャネル中の反応領域の長さ方向に沿って単一の触媒）。１以上の反応物及び触媒は、反応ステップの反応が下記群から選ばれる様に選択される：アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元性アルキル化、アミノ化、アンモ酸化、アンモニア合成、芳香族化、アリール化、自熱的改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元性カルボニル化、カルボキシル化、還元性カルボキシル化、還元性カップリング、縮合、クラッキング、水素化分解、環化、シクロオリゴマー化、脱ハロゲン化、二量体化、エポキシ化、エステル化、交換反応、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、ハロゲン水素処理、同族体化、水和、脱水、水素添加、脱水素、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、ヒドロシル化、加水分解、水素化処理（ＨＤＳ／ＨＤＮ）、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、重合、還元、リフォーメーション、リバース水性ガスシフト反応、サバティエ反応（サバティエ・サンドラン還元）、スルホン化、テロメリゼーション、トランスエステル化、三量体化、及び水性ガスシフト反応。

又、本発明は：１以上の反応物をマイクロチャネル中へ流入させるステップ、並びに１以上の反応物をマイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させて１以上の生成物を形成するステップを有する反応実施方法を提供する。段階的触媒はマイクロチャネル中に配置されている。上記段階的触媒の触媒的活性材料の分布は、１以上の反応物が、その触媒の別の領域中よりも触媒の一部の領域中でより高い濃度の触媒的活性材料へ曝されるものである。１以上の反応物及び触媒は、反応ステップの反応が下記群から選ばれる様に選択される：アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元性アルキル化、アミノ化、アンモニア合成、芳香族化、アリール化、カルボニル化、脱カルボニル化、還元性カルボニル化、カルボキシル化、還元性カルボキシル化、還元性カップリング、縮合、クラッキング、水素化分解、環化、シクロオリゴマー化、脱ハロゲン化、二量体化、エポキシ化、エステル化、交換反応、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、ハロゲン水素処理、同族体化、水和、脱水、水素添加、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、ヒドロシル化、加水分解、水素化処理（ＨＤＳ／ＨＤＮ）、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、重合、炭化水素改質、リバース水性ガスシフト反応、サバティエ反応（サバティエ・サンドラン還元）、スルホン化、テロメリゼーション、トランスエステル化、三量体化、及び水性ガスシフト反応。

又、本発明は、触媒前駆体をモールド中へ添加するステップ、但し上記モールドの１以上の寸法は５ｍｍ未満である；モノリス型触媒マイクロ挿入物を形成するステップ；及びモノリス型触媒マイクロ挿入物を除去するステップを含有する触媒マイクロ挿入物形成方法を提供する。
又、本発明は、マイクロチャネルへ磁界又は電界を適用するステップ；及び磁界又は電界の影響下でマイクロチャネル中の粒子を担持し、配列するステップ；を含有する触媒装置の製造方法を提供する。ここで、「適用する」のは、（明らかに）地磁気中に存在する以外のなにか（電界、磁界）であり、電気めっき又は電気化学的析出を意味しない。

又、本発明はマイクロチャネル及びマイクロチャネル中に配置された中空又は多孔質触媒粒子を備えた装置を提供し、多孔質触媒粒子は個々の粒子中に大孔を有し；マイクロチャネルは断面積を有し；大孔はその孔の存在する粒子の直径の１以上％の孔径を有する孔であり；中空又は多孔質触媒粒子はマイクロチャネルの断面積の１〜４０％である体積平均粒子断面を有する。孔径は顕微鏡（通常は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ））又は水銀圧入法により測定される。粒子径は質量平均であり、従来通りふるい網を通過する粒子量に基づくと理解される。「平均」は、それが大きな粒子は小粒子より平均して大きな影響を有するような体積平均をいう。好ましくは、中空又は多孔質触媒粒子はマイクロチャネルの断面積の１０〜４０％である体積平均粒子断面を有する。反応マイクロチャネルの断面積は、粒子が収容されている反応マイクロチャネル内の１箇所で測定される。この場合本発明の「多孔質触媒粒子」としては、粒子及びペレットの両方が含まれるが、泡状体、フェルト、綿状体、スクリーン、網又はハニカムは含まれない。しかし、中空粒子には泡状体、フェルト、綿状体、スクリーン、網又はハニカムが粒子又はペレット（ここで記載された中空の定義に該当するように製造された粒子）と共に含まれる。本発明は又、本発明の装置中で反応を実施する方法、及びこれら粒子をマイクロチャネル中へ添加することによる装置の製造方法を提供する。

本発明は又下記ステップを含む化学反応実施方法を提供する：流体中に分散した触媒粒子を含有する反応マイクロチャネル中へ１以上の反応物流体を流入するステップ、但し１以上の反応物流体中の１以上の反応物が反応して１以上の生成物を形成し、少なくともいくつかの触媒粒子はマイクロチャネルから流出して触媒粒子流れを形成する；及び上記（形成された）触媒粒子流れを含有する触媒粒子の流れを同一又は異なる反応チャネル中へ流入するステップ。本発明は又、触媒粒子流れを含有するマイクロチャネル装置を備えたシステムにも関する。

更に、本発明は、マイクロチャネル、及びマイクロチャネル中に配置された高縦横比の粒子を備えた装置を提供する。通常上記高縦横比の粒子はマイクロチャネル中に配列され、少なくとも４０質量％（好ましくは少なくとも５０質量％、更に好ましくは少なくとも７５質量％）の高縦横比の粒子がマイクロチャネルの壁に直交する１の方向に向かって実質的に配列する。「実質的に配列する」は、それぞれの粒子の主軸（それぞれの粒子の質量平均）に沿って測定して４５°以内であることを意味する。高縦横比の粒子は、好ましくはサポート材料、更に好ましくは触媒材料、例えば段階的触媒である。例えば、高縦横比の粒子は低い縦横比粒子と混合されてもよい。本発明は又、この装置中での反応物の反応方法及びこの装置の製造方法を提供する。

又、本発明は下記を備えた化学反応実施用装置を提供する；１以上の寸法は５ｍｍ未満である断面積を有するオープンフローパス、但し断面積は流れ方向に直交する；１以上の寸法は５ｍｍ未満である断面積中のオープンフローパスの一つの壁の少なくとも一部を構成する触媒、但しオープンフローパス中の断面積内のいずれの場所でも触媒から５ｍｍ以上離れることはない；及び、流れ攪乱具及び／又はマイクロミキサー、但しマイクロミキサーが存在する場合にはそれは触媒を備える。本発明は又この装置内での化学反応の実施方法を提供する。

用語の定義；
「チャネル」は一般的に認識される意味であり、導管及び流体の流れを導く他の手段を含む。本発明のチャネルは、１以上の開口部、一般的に入口及び出口を備え、他の開口部を備えてもよい。下記様々な例示から理解できるとおり、単なる輸送以外の多数の機能もチャネル中で行なうことが出来る。反応チャネル（反応マイクロチャネルを含む）は入口若しくは出口バルブ又は、入口若しくは出口オリフィスを含まない（勿論入口及び出口の、オリフィス、バルブ等は反応チャネルへ結合されていてもよいが、それらは反応チャネルそれ自体の一部とは見なされない）。
「触媒」は、それ自体は消費され（変化せ）ずに反応パラメータ、例えば反応速度を増加させる材料である。

反応チャネルの「断面積」又は「断面の面積」は、正味流れの方向に垂直に測定され、触媒粒子（又はモノリス）及び／又は触媒壁コーティング（熱的に成長した酸化物（存在する場合）を含む）を含む反応チャネル内の全ての領域を含むが、反応チャネル壁を含まない。それらの長さ方向に曲がっている反応チャネルでは、断面積は正味流れの方向に垂直に、長さ方向に平行な線に沿って選ばれた時点で反応チャネルの（面積の）中心で測定される。「断面積が変化する」等の記載は、表面粗さの単なる変動ではなく、面積の著しい変動が存在することを意味する。高さ及び幅の寸法は、１の反応チャネル壁から対向する壁への距離として測定され、触媒コーティングの適用によっては変化せず、表面粗さにより発生する変動、又は波状起伏により発生する変動等を考慮した平均値である。

「設計触媒」は、特定の反応チャネル用に成形されても良く、マイクロチャネル内に挿入されるか充填されることのできる１以上の触媒片である。その例として、泡状体及びフェルト（即ち、不織繊維又は縄の集合体）が挙げられる。単なるペレット、コーティング及び粉は設計触媒ではない。
「液体中に分散された触媒粒子」は一般的にコロイド状の固体粒子であり、液体と共にスラリー又はコロイド状分散体を形成する。

「組成物」は気体、液体、又は流体混合物（固体／液体混合物でもよいコロイド等）である。組成物はそれ自体反応性でもよく、別の材料と混合されてもよい。
「流れ方向」は反応チャネルの１以上の区分を通過する正味流れの方向である。まっすぐなチャネルでは、流れの方向はチャネルの１以上の入口からチャネルの１以上の出口への方向である。
「流れパス」は、そこを通って組成物が輸送されるリアクター中のパスである。

「流体熱交換器」は、（入口及び出口、又は複数の入口及び／若しくは出口を有する）チャンバであり、それを通って流体（即ち、気体又は液体）が流れ、反応チャネルの壁を通して、反応チャネルから熱を除去し、又は反応チャネルへ熱を供給する働きをする。流体熱交換器は電気的加熱器ではない。
「段階的触媒」は、（触媒的活性金属の濃度若しくは表面積又は活性サイトの回転率を変化させるか、又は触媒材料の物性及び／又は形状を変化させる等して）触媒的活性の１以上の勾配を有し、例えば、反応チャネル正面（前側）での低い活性金属濃度の反応チャネルの背面（後側）近くの高い濃度への増加；又は反応チャネルの中心（即ち、中央）近くの低い濃度の活性金属から反応チャネル壁近くの高い濃度への増加等；距離の因子として変化する。物性の一例は熱伝導性である。触媒的活性金属の表面積は、一定の表面積サポート上の金属サイトのサイズ変化、サポート種又は粒子径の変化等でサポートの表面積を変化させて変化させることができる。段階的触媒は１以上の触媒成分（例えば、バイメタル又はトリメタル触媒）を有してもよい。好ましくは、触媒は、距離の因子としてその特性及び／又は組成物を急激又は非連続的変化ではなく徐々に変化させる。本発明の段階的触媒は単なる縁取り(rimmed)枠型粒子やそれぞれの粒子中の触媒的活性金属が「卵殻」分布を有する粒子ではない。

「熱交換器」は反応チャンバへ熱を加えるか熱を除去する構成要素である。それは単なる周囲の空気又は停滞している流体ではなく、稼働性構成要素である。好ましくは、熱交換器は流体熱交換器である。
「熱移動距離」は反応チャネルの中央及び熱交換器の壁の間の距離を言う。中央は、反応チャネル断面の面積基準の(area-weighted)中心点であり、距離は通常流れに垂直に測定される。言い換えると、反応チャネルの断面積を二等分する（半分に分割する）線の交点が中央である。
「高縦横比の粒子」は、幅又は高さのいずれか（両方である必要はない）より少なくとも２倍（好ましくは少なくとも５倍、更に好ましくは１以上０倍）大きい長さ（最長の寸法）を有する異方性形状の粒子である。例えば、ワイヤー、ウィスカー、板状体及びフレークが挙げられる。

「中空粒子」とはその粒子の２０（体積）％である外側の密度は、（粒子の）９０体積％である内部の平均密度よりも、少なくとも２０％、好ましくは少なくとも５０％大きい密度を有する粒子である。
「入口側」及び「出口側」は関連する用語である。反応チャンバの入口側の全ての部分は反応チャネルへの入口の近傍であり、反応チャンバの出口側の全ての部分は反応チャネルからの出口の近傍である。好ましくは、１の反応チャネルへ１の入口及び１の出口が結合するが、本発明では、複数の入口及び／又は出口を備えた反応チャネルも好ましい。

「マイクロミキサー」は、反応チャンバ（好ましくはマイクロチャネル）のバルクフロー領域中に配置された要素であり、バルクフロー領域にはマイクロミキサー以外には実質的な障害物はない。マイクロミキサーの１以上の寸法は５ｍｍ未満である。本発明のバルクフロー領域には、マイクロミキサーが存在する場合でもマイクロミキサーの存在はバルクフロー領域の存在を否定しない。

本発明の「マイクロチャネル」は、通常５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満、更に好ましくは１ｍｍ未満の高さを有するチャネルである、好ましくは高さは０．１〜２ｍｍの範囲である。マイクロチャネルの長さは一般的に重要ではないが、例えば１０ｃｍ未満でもよい。長さ方向はマイクロチャネルを通過する正味流れと同一の方向をいう。チャネル断面は例えば、長方形、円形、三角形、又は不規則な形状でもよい。高さ及び幅は長さに垂直であり、マイクロチャネルの長さ方向に沿っていずれか又は両方が変化してもよい。高さ及び幅は任意で選択でき；本発明では、高さは、流れに垂直なチャネルの最小寸法である。例えば、蒸気改質等では、幅は好ましくは５ｃｍ未満、更に好ましくは１ｃｍ未満であり、例えば０．１ｍｍ〜２ｃｍの範囲である。
「多孔質触媒粒子」はここで記載されている「多孔質触媒材料」の多孔性を有する。
「熱伝導性材料」は一般的に認識される理解のとおりである。炭素及び金属は熱伝導性であるが、通常のほとんどの金属酸化物及びプラスチックは熱伝導性ではない。

装置
本発明は好ましくはマイクロチャネルリアクターを使用する。本発明のマイクロチャネルリアクターは、例えば（壁から壁まで触媒を含めずに）５ｍｍ（好ましくは１ｍｍ）未満、好ましくは５０〜５００μｍの寸法を有する１以上の反応チャネルの存在に特徴を有する。高さ及び幅の両方は流れ方向に垂直である。反応マイクロチャネルの高さ及び／又は幅は、好ましくは５ｍｍ未満、更に好ましくは１ｍｍ未満である（その場合、反応チャンバは従来の定義のマイクロチャネルを意味する）。反応チャネルの長さは、一般的に長い。好ましくは、反応チャンバの長さは１ｃｍを超え、更に好ましくは１〜２０インチ（２．５〜５０ｃｍ）の範囲である。一般的に、反応チャネルの側面は反応チャネル壁である。これら壁は、好ましくはセラミック、スチール等の鉄ベース合金、又はモネル（メタル）等の硬質材料からなる。更に好ましくは、反応チャンバ壁は、ステンレススチール若しくは商標名「インコネル」又は（リアクター内部で長期間高圧を保持する間、高温耐熱性である）耐久性があり、優れたの熱伝導性を有する他の合金からなる。

柱（ｐｏｓｔ）型サポート又はバッフルを備えた反応チャネルは、１個のチャネルであるが、チャネル長さ全てにわたるサポートリブを備えたチャネルは、２個のチャネルである。多孔質材料により「分離された」反応チャネルも又２個のチャネルである。
リアクターは好ましくは複数のマイクロチャネル反応チャネル及び／又は複数の近接した熱交換マイクロチャネルを備える。複数のマイクロチャネル反応チャネルは、例えば２、１０、１００、１０００又はそれ以上のチャネルを備えてもよい。好ましくは、マイクロチャネルは、平面的マイクロチャネルが平行に配列するように配置される。反応チャネルの層は、熱交換チャネル層（又は吸熱反応チャネルの層と交互になった発熱反応チャネル層）が交互になってもよく、反応チャネルの２つの層が熱交換層等の間に挟まれてもよい。操作中、熱交換マイクロチャネルには加熱及び／又は冷却流体が流れる。層間の流れは、平行流(co-flow)、逆流、直交流又は流れ(lows)の組み合わせ（斜流）でもよい。１の層中のチャネルは平行流又は逆流でもよい。本発明を限定するものではない本発明で使用できるこの種の公知のリアクター例として、米国特許第６２００５３６、６１９２５９６及び６２１９９７３号（ここでその全てを資料として使用する。）に例示された種類のマイクロ要素シート構成（例えば、マイクロチャネルの積層体）が挙げられる。本発明で使用できるこの種のリアクター構成の性能的利点としては、比較的大きな熱及び質量移動速度が達成でき、爆発のおそれが実質的にないことである。本発明のマイクロチャネルリアクターの使用は、従来のリアクターに比べて、より良い温度制御を達成し、比較的より等温プロファイル（又は、例えば良く制御された温度勾配）を維持できる。

例えば、反応マイクロチャネル（又はマイクロチャネル）は「バルクフロー領域」又はオープンフローパスを備えてもよい。「オープンフローパス」又は「バルクフロー領域」とは、反応チャンバ内の遮られていない、連続したバルクフロー領域を意味する。連続したバルクフロー領域は、大きな圧力低下なしに反応チャンバを通る急速なガス流れを可能とする。好ましくはバルクフロー領域中に層流が存在する。それぞれの反応チャネル中のバルクフロー領域は、好ましくは断面積が５×１０^-8〜１×１０^-2ｍ²、更に好ましくは５×１０^-7〜１×１０^-4ｍ²である。バルクフロー領域は好ましくは、（１）反応チャンバの内積、又は（２）反応チャネルの断面のいずれかの少なくとも５％、更に好ましくは３０〜８０％を占める。流れ様式並びに流速は、流れ方向に沿って反応チャネル内の目的の温度勾配を達成するように選択できる。熱移動流体として、水、水溶液、シリコーン油、溶融塩、液体金属等の公知の熱移動流体が挙げられる。好ましくは、熱交換流体は蒸気であるか、目的とする操作温度以下で熱交換器中で相交換を行う流体である。

反応チャンバに加えて、マイクロチャネル又は非マイクロチャネル熱交換器等の要素が更に追加的に存在してもよい。マイクロチャネル熱交換器が好ましい。それよりは好ましくないが、従来の熱交換器もマイクロチャネルリアクターへ従来の配管及びアダプターにより接続できる。マイクロチャネル熱交換器は、リアクターの構成要素となっても良い、即ちそれらはリアクターと共に１の連続的ユニットを形成しても良い。好ましくは、反応物流れはリアクターにより予熱されて、予熱された流れは次にリアクターへ流入してもよく、及び／又はリアクターからの生成物流れは熱を反応物流れへ移動させてもよい−この場合、流体は、熱交換器及びリアクター間を流れる。熱交換器は予熱領域の形でマイクロチャネルリアクター中へ組み込まれてもよい。熱交換器は、プロセス流れ及び分離された高温又は低温熱交換流体流れ（一般的に流れは壁又はマイクロチャネル壁により分離される。）の間で熱を交換してもよく、入口及び出口流れの間で熱を交換してもよく、上記両方の交換をしてもよい。本発明のリアクター又は方法の例として、リアクター（又は方法）は、生成物流れが第二リアクター内へ送るように、又は生成物流れを同一のリアクターへ戻してリサイクルするように配置してもよい。熱交換流体は、気体又は液体でもよく、蒸気、液体金属、又は他の公知の熱交換流体を含有してもよい。本発明のシステムは、熱交換器中で相交換を行うように最適化されてもよい。好ましくは、複数の熱交換層は、複数の反応マイクロチャネルを交互に配置してもよい（例えば、１以上０個の反応マイクロチャネルを交互に配置した１以上０の熱交換器）。
マイクロチャネルリアクターの設計のために種々の選択ができる。例えばクーラント流体が、反応チャンバへ近接したマイクロチャネル中を流れてもよい。クーラント流は直交流、逆流又は平行流でもよい。熱移動流体として、水、水溶液、シリコーン油、溶融塩、液体金属、ガス等の公知の熱移動流体が挙げられる。好ましくは、熱交換流体は蒸気であるか、目的とする操作温度以下で熱交換器又はリアクター中で相交換を行う流体である。

交互になったマイクロチャネル例中では、１種以上の反応物が段階的又は連続的に反応混合物へ供給されてもよい。「段階化」は、１個の装置中の小さなオリフィス又は噴射口の使用、又はマイクロ多孔質膜若しくは交互になった散布シートの通過が、分離流装置中で起こされる。例えば、酸化性脱水素反応中で段階的酸素添加は局所的酸素部分的圧力を低下し、その結果競合する目的外の燃焼反応よりも目的の部分的酸化反応が行われやすくなる。
交互になったマイクロチャネル設計として近接した反応チャンバ、好ましくは近接したマイクロチャネル中の発熱及び吸熱反応の組み合わせが挙げられる。発熱反応に隣接した蒸気改質反応等の吸熱反応の配置は、最高の熱移動効率を可能とする。例えば、蒸気改質等の吸熱反応は、燃焼等の発熱反応が近接したマイクロチャネル又は別のマイクロチャネル中で行われる場合、１個の反応マイクロチャネル中で行われてもよく、それは複数流れを統合した熱交換器／リアクター中の熱交換関係である。好ましくは、反応チャネルは、第一触媒を備えた第一反応領域及びそれに続く第二触媒を備えた第二反応領域等の複数の反応領域を備える−２個の分離された別個の触媒は段階的触媒ではないが、第一及び／又は第二触媒は段階的触媒でもよい。２個の分離された別個の触媒が使用される場合、しばしば異なる温度で触媒を操作することが必要である。燃焼反応としては時々、部分的酸化を行い続いて完全酸化を行うことが必要であり、これは、部分的に酸化された燃料が非酸化燃料よりも優れた反応特性を有する場合に特に有効である。

本発明を限定するものではないマイクロチャネルリアクター機械設備の例が図１に示される。クーラントマイクロチャネル（例えば５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満）は、マイクロチャネル反応チャンバ（例えば５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満）へ近接している。チャネル間の壁は、好ましくは２ｍｍ未満である。クーラント流は平行流、逆流又は直交流として配列できる。プロセス流れチャネルの長さは、どの長さでよいが、例えば１〜２０インチ（２．５〜５０ｃｍ）の範囲である。プロセスチャネルの高さは、又どの程度でもよいが例えば０．１インチ〜１０インチ（０．２５〜２５ｃｍ）でもよい。それぞれのプロセス又はクーラントチャネルは、更に平行なサブチャネルへ細分化されてもよい。サブチャネルの区分は、熱移動の最大化及び機械的ストレスの最小化に依存する。圧力低下の考慮も又チャネル区分、長さ及び幅／高さの選択には重要である。
チャンバ高さ又はチャンバ幅は約５ｍｍ未満である時点で、チャンバ高さ及びチャンバ幅は断面積を確定する。好ましくは、断面積は多孔質触媒材料及び空隙面積を含有し、上記多孔質触媒材料は断面積の９５％まで、好ましくは５％〜９５％を占有し、空隙面積は断面積の少なくとも５％、好ましくは５％〜９５％を占める。好ましくは、１個のチャネルの断面積中の空隙面積は連続した領域が５×１０⁸〜１×１０^-2ｍ²を占める。

例えば、本発明のリアクターは、米国特許出願第１０／１５３５７７号に記載されているような、長さに沿って変化する断面積を有する反応チャネル備えても良く、ここでその全てを資料として使用する。局所的接触時間の制御を可能とする変化可能な断面は（好ましくは）ここで記載した段階的触媒と組み合わせることができる。例えば、触媒は反応チャネルの出口側中の（又は反対に入口側上の）触媒的活性材料の最高濃度に応じて段階的に変化しても良く、反応チャネルの出口側上の最大断面に応じて徐々に断面積を増加させてもよく（又は反対に入口側上の最大断面に応じて徐々に断面積を減少させて）−その結果、反応条件の制御を強化できる。

装置製造方法
本発明のリアクターは金属薄シートの積層（但し、反応チャネルは１個のシート中でもよく、例えばチャネルはシート中にエッチングされてもよく、近接したシートにより提供された反応チャネル壁を備えたシートを通してスタンプされてもよく、反応チャネルは複数のシートで構成されてもよい。）、マイクロ−ＥＤＭドリル加工、レーザー加工、化学的エッチング、射出成形、溶接等の方法を使用して製造されてもよい。金属、合金、コンポジット、ポリマー、及びセラミック等の材料が使用出来る。高伝導性材料は熱移動効率を高め温度分布の不均一性を緩和する。好ましくは、反応チャネルの１以上の壁の少なくとも一部は、スチール又はアルミニウム等の熱伝導性材料からなる。積層された部材からなる装置として、１以上のシート中へ反応チャネルをスタンプすることが好ましい。これらシートから製造される装置は、一般的に１以上の近接した（好ましくは熱交換器の層間に挟まれている）シート中の反応チャネルを有し、組み立てられた装置は反応チャネルの上部及び底部を構成する上部及び底部シートで定まる一定の高さを有する反応チャネルを有する。

触媒
本発明の多くの例では、触媒的活性材料が存在する。本発明の触媒的活性材料として下記が（本発明を限定するものではないリストとして）挙げられる：Ａｕ及びＡｇ等の貴金属、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ及びＮｉ等の卑金属、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ及びＲｕの群から選ばれる１以上の金属触媒材料；及び／又はＬｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｆｅ、希土類金属の群から選ばれる１以上の金属の酸化物又は塩及びその混合物。触媒は、プロモーター（例えば、アルカリ又はアルカリ土類プロモーター）等の添加的成分を含有してもよい。好ましいサポート材料として、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリア、他の金属酸化物又はこれら酸化物の混合物、メソ多孔質材料及び耐熱性材料、炭素又は炭化ケイ素が挙げられる。触媒は、例えばアルミナ上に分散された酸化バナジウム(vanadia)、又はアルミナ上（に分散された）白金でもよい。触媒は又、金属酸化物層上に分散された、即ち金属泡状体又は金属フェルト（金属繊維の不織布）上に（薄め塗膜washcoat又は化学的蒸着等により）被覆された、貴金属でもよい。好ましくは、触媒は、マイクロチャネルの１以上の壁上に（ＣＶＤ又は薄め塗膜等により）配置される。

反応チャネル中で使用される触媒は、不均一反応のために好ましくは固体であり（固体を含有する）、選択された反応条件下で（少なくとも部分的に）不均一材料として存在する、即ち触媒はプロセス流れ中に完全に溶解しない。好ましくは、触媒は原則的にプロセス流れ中に不溶である。触媒は、フローバイ（流れる側面に存在するコーティング又は薄層等の）又はフロースルー（実質的に反応チャネルの全ての断面を占有する）配置中で使用できる。触媒構造の例として下記が挙げられる：泡状体、フェルト（不織繊維）、スクリーン、ペレット、サドル形、粉、ハニカム、整列した又は非整列したカーボンナノチューブ及びコーティング。好ましくは、触媒は設計された触媒である。これらの構造は、バッファ層、界面層、及び触媒的活性金属を含有する１以上の層等の複数の層を備えてもよい。触媒は、単一の種類の材料を含有してもよく、更に一般的に、サポート及び１以上の金属、プロモーター、又はサポート、金属等の混合物等の複数の材料を含有してもよい。触媒は、流動床又は固定床でもよい。

好ましくは、本発明は多孔質触媒を使用し、多孔質触媒は長さ、幅及び濃度を有し、多孔質触媒は、バルクフローパスの１以上の壁の少なくとも一部を確定する。好ましくは、触媒の表面は、反応物及び生成物の混合物が通過するバルクフローパスの１以上の壁を確定する。操作中、反応混合物は反応チャンバ（好ましくはマイクロチャネル）中を通して流れ、通過して多孔質触媒に接触する。
好ましくは、多孔質触媒は、それぞれのチャネル中へ１片として挿入され（そこから除去され）ることの出来る多孔質挿入物として提供される；好ましくは多孔質挿入物は２ｍｍ未満の幅を有するマイクロチャネル中に適合するサイズとされる。挿入物は目的のサイズを有する様に成形され、例えば１の寸法は２ｍｍ以下であり１の寸法は１ｃｍ以上である。例えば、多孔質触媒はマイクロチャネルの断面積の少なくとも６０体積％、又は少なくとも９０％を占め；この体積％は、モノリス内の孔及び粒子間の間隙空間を含む。本発明では又、触媒はマイクロチャネル反応チャネル又はチャネル中の材料のコーティング（薄め塗膜等の）として提供されてもよい。フローバイ触媒配置の使用は最適な受容能力／圧力低下関係を形成できる。フローバイ触媒配置では、ガスは好ましくは、マイクロチャネル壁へ接触する触媒の多孔質挿入物又は薄層の触媒へ近接した０．１〜１．０ｍｍギャップ中を流れる（好ましくは触媒へ接触するマイクロチャネル壁は、熱交換器へ直接的な熱的接触し、好ましくは熱交換流れは触媒へ接触する壁面へ対向する面へ接触する。）。別の本発明の例では、設計された触媒、壁コーティング及び／又は粉の組み合わせは全て１個のチャネル中に存在してもよい。例えば、チャネルの正面にある泡状体上に触媒があり、その下降流中に粉状体として第二触媒（触媒は同一又は異なった要素の組成物を有する）がある；同一の触媒は２個の形状で使用してもよく、これは段階床を形成する別の方法である。

種々の多孔質触媒及び触媒を備えた装置は、米国特許第６３７８２７８号に記載されており、ここでその全てを資料として使用する。「多孔質触媒材料」（又は「多孔質触媒」）とは、好ましくは多孔質材料の全体積の５〜９８％、更に好ましくは３０〜９５％の細孔容積を有する多孔質材料をいう。少なくとも２０％（更に好ましくは少なくとも５０％）の材料の細孔容積は、好ましくは０．１〜３００ミクロン、更に好ましくは０．３〜２００ミクロン、最も好ましくは１〜１００ミクロンの範囲のサイズ（直径）の孔である。細孔容積及び孔径分布は、水銀圧入法（円柱形幾何学的孔と仮定する）及び窒素吸着により測定される。公知のように、水銀圧入法及び窒素吸着は互いに補完的な技術であり、水銀圧入法は大きな孔径（３０ｎｍより大きい）の測定により正確であり、窒素吸着法は小さな孔（５０ｎｍ未満）での測定により正確である。約０．１〜３００ミクロンの範囲の孔径は、多くの気相触媒条件下で分子を材料を通過して分子が拡散することを可能とする多孔質材料はそれ自体触媒でもよく、好ましい多孔質材料として、その上に配置された１以上の触媒材料を含有する１以上の層を有する、金属、セラミック又はコンポジットが挙げられる。孔隙は、ハニカム又は平行な孔構造として幾何学的に規則的でもよく、孔隙は幾何学的に蛇行するかランダムでもよい。好ましくは基材は、泡状金属又は泡状セラミックである。触媒層は、存在する場合、好ましくはやはり多孔質である。触媒層の平均孔径（体積平均）は、好ましくは基材の平均孔径より小さい。サポート上に配置された触媒層中の平均孔径は、好ましくはＢＥＴ方法でＮ₂吸着により測定して、１０^-9ｍ〜３×１０^-7ｍの範囲である。更に好ましくは、全細孔容積の少なくとも５０体積％は１０^-9ｍ〜１０^-7ｍの範囲の直径のサイズを有する孔から構成される。触媒層中のこれら小さな孔内の分散は一般的に、本質的に気相反応であるクヌーセン反応であり、分子は他の気相分子よりも更にしばしば孔の壁と衝突する。

１以上の触媒のサポートは好ましくは良い熱伝導性を有する。触媒は、例えば金属、金属合金、炭素、カーバイド、硫化物、窒化物、ポリマー、セラミック又はこれらの混合物等のサポートを含有してもよい。特に有用な例として、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、アルミニウム窒化物、炭素、セリア、チタニア、Ａｇ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ又はこれらの混合物が挙げられる。好ましくは、Ａｇ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はこれらの混合物は、５０体積％未満のアルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリア、又はこれらの混合物等の金属酸化物と混合される。ペロブスカイトは、触媒サポート又はサポート上のコーティングとして特に有用である。ＡＢＯ（３−ｘ）ペロブスカイトは、それらの酸素吸収及び脱着特性は触媒活性及び安定性に役立つような燃焼等の酸化プロセス中で特に有用であると期待される。この構成中で、上記化学式の要素Ａは第ＩＩ族金属、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、イットリウム、ランタン、ランタニド系列金属、アクチニド系列金属、及びそれらの混合物の群から選ばれる。要素Ｂは鉄、マンガン、クロム、バナジウム、チタン、銅、ニッケル、コバルト、及びその混合物の群から選ばれる。ペロブスカイトは公知の材料であり、Wells、「構造無機化学」Oxford Science Publications等のテキスト中に記載されている。

好ましくは、本発明は触媒的活性サイトの密度が変化する段階的触媒を使用する。勾配は所望の配置に設計できる。例えば、勾配は、反応マイクロチャネルの中心、マイクロチャネル壁の近く、又は反応マイクロチャネルの正面（入口近く）で最大密度の触媒的活性サイトを有するように設計できる。好ましくは、触媒的活性サイトの濃度は、反応マイクロチャネルの正面５０２（即ち、触媒を備えたマイクロチャネル領域、即ち反応物入口に最も近い）で最小であり、マイクロチャネルの長さ方向に沿って増加する。この「バックツーフロント」配置の一例は図５に示される。「バックツーフロント」配置は、マイクロチャネルの長さ全体で同量の反応を行うことが望まれ、反応物の濃度はマイクロチャネルの長さに沿って著しく変化するような反応で特に好ましい。これは好ましくは、例えば発熱反応でのホットスポットを減少させる。
好ましくは、本発明は、反応マイクロチャネルの長さ又は幅全体において、物理的形状が変化する段階的触媒を使用できる。例えば、基材材料の熱伝導性は、局所的発熱又は吸熱を変化させると異なるように連動するような反応の局所的効率（速度）の変動の利点を得るために局所的に変化させてもよい。

好ましくは、触媒的活性サイトの密度は、マイクロチャネル壁近くで最大である。例えば黒点６０２は多孔質触媒６０４中の触媒的活性サイトを示す−図６参照。この断面図では、オープンバルクフロー領域６０８が存在する。この配置の種類は、マイクロチャネル壁６０６が熱交換器（図示せず）へ接触する場合に特に最適である。好ましくは、壁は熱移動流体と直接接触する。触媒サイト密度だけでなく、段階的触媒は又、組成が変化する触媒、又は回転率が変化する触媒でもよい。
段階的触媒はフローバイ配置（図５及び６）中又はフロースルー配置（図示せず）のいずれかで使用でき、その場合触媒は実質的に反応マイクロチャネルを充填する。

例えば、触媒粒子は中空又は多孔質（上記記載の）でもよい。中空粒子は、粒子の中心が実質的に中空であり−これらは触媒粒子の外側に触媒金属を有する単なるリム型触媒粒子ではなく、むしろこれら粒子は好ましくは粒子中心部に実質的にサポート材料を有さず；言い換えると、粒子中心部は実質的に空である。好ましくは、中空又は多孔質粒子は、質量平均粒子径（大きい粒子ではふるい分け法、小さい粒子では電子顕微鏡により測定される）が、反応マイクロチャネルの断面の最大直径の１〜４０％の範囲、更に好ましくは１〜２５％の範囲、例えば反応マイクロチャネルの断面の最大直径の５〜２０％である。好ましくは、少なくとも５０％（質量）の触媒粒子は１〜３００μｍのサイズ範囲である。これら範囲の粒子径は、マイクロチャネル中への担持の容易化及び粒子周囲の乱流発生に最適である。これらサイズの粒子は、噴射乾燥又は噴射熱分解等のプロセスにより容易に製造できる。
本発明の触媒は又、チューブ（中空繊維）でもよい。これらチューブは縦横比が好ましくは少なくとも２、更に好ましくは少なくとも１０である。好ましくは、少なくとも５０％（質量）のチューブは１〜２０μｍの範囲の外部直径を有する。

触媒、サポート及びコンポジットの製造方法
本発明の触媒は、公知のプロセスで製造しても市場で入手してもよい。触媒製造の例は米国特許出願第０９／４９２９５０号（米国特許第 号）に記載されており、ここでその全てを資料として使用する。段階的触媒の公知の製造方法のいくつかは、Dalla Bettaら、米国特許第５２４８２５１号に記載されており、ここでその全てを資料として使用する。他の技術としては、段階的触媒はサポート表面上へ活性成分を噴射して製造できる。段階的触媒は又、オープン反応チャネルを備えたマイクロ挿入物又はマイクロリアクター装置を触媒コーティング溶液又はスラリー中へ浸漬（又はマイクロ挿入物又はマイクロリアクターをマイクロ挿入物又はチャネル長さの一部だけ浸す部分的浸漬）しても製造できる。

本発明の新規な方法では、マイクロ挿入物触媒又はマイクロ挿入物触媒サポートは、モールドとしてマイクロチャネルを使用して製造できる。この方法では、粉、液体又はスラリーの前駆体組成物がマイクロチャネルへ添加される；この前駆体組成物は加熱等により反応し、固体マイクロ挿入物触媒又は固体マイクロ挿入物触媒サポートを形成する。モールドは目的の寸法の挿入物を形成するためにサイジングできる。例えば１の好ましいモールドは、幅が５ｍｍ以下、更に好ましくは２ｍｍ未満である。所望により、得られたマイクロ挿入物は、例えばモールド及び／又はマイクロチャネルリアクターのいずれか中で被覆され（例えば、薄め塗膜及び／又は蒸着によるコーティング）又は焼結されて更に処理されてもよい。任意で、マイクロチャネルモールドはテフロン（商標）等のリリース性材料で構成され（又は被覆され(lined）)てもよい。他の例では、マイクロチャネルモールドは、溶解又は分解して、マイクロ挿入物触媒又はマイクロ挿入物触媒サポートを開放する材料で構成されてもよい。段階的触媒は、モールド中に触媒的活性を変化させた層を積層して（即ち焼結及び／又は活性化ステップの後の最終的触媒の触媒的活性を変化させることにより）製造されてもよい、図４参照。例えば、段階的触媒は低い活性触媒をモールド中に配置し、次ぎに高い活性な触媒を配置して製造してもよい；更に一般的には、第一型の触媒４０２をモールドへ部分的に充填し、次に第二型の触媒４０４を充填する（任意で次に第三型の触媒４０６等を充填してもよい）。この技術を適宜変更すると、高活性材料をバインダー中に配置してモールド中を部分的に充填し、次に低い活性材料の添加層を加えて予備成形品を製造してもよい。バインダーはワックス又は触媒を損傷せずに容易に除去され（燃焼又は溶解等により）粒子を特定の立体的関係に固定でき、バインダーが除去された後に大部分が維持される、物質でもよい。

又別の技術では、２以上の異なった種類の粒子がマイクロチャネルモールド又は反応マイクロチャネル内に導入される。１の種類は触媒的活性材料を含有し、残りの種類は低い（又はゼロ）濃度の触媒的活性材料を含有し；それぞれの種類の粒子の相対的量を変化させて段階的触媒を製造する。段階床を製造する別の良い方法は、床へ徐々に大きくなる又は小さくなる粒子径の層を設けることである；全ての粒子は同一の金属を担持していても、より小さい粒子は更に緻密に充填されるため、小粒子層中では高い金属濃度を達成できる。又床の深さ(down)方向に粒子直径を変化させ；床上の流体力学を効果的に変化でき、床多孔性の変化が達成できる第二の利点がある。フィッシャー・トロプシュ反応等のいくつかの反応でも又この変化を起こす（粒子間）質量移動が存在する。

ここに記載される技術は、マイクロ挿入物を形成するか、in situで、触媒、マトリックス又はコンポジットを形成するかのいずれかで、マイクロチャネル中に触媒又はマトリックスを形成するために使用できる。本発明では、炭素ベースの、金属含有、セラミック又は他のマトリックスがマイクロチャネル中で形成され、例えば触媒サポート、混合装置又は熱移動機構として使用されてもよい。in situで形成された材料は、マイクロチャネル壁へ物理的に非常に接触できる。更に、フロースルー配置が好ましい場合、材料はチャネル寸法の均一性は関係なく、マイクロチャネルを（材料中の孔を除いて）完全に充填でき、その結果可能なチャネル壁に沿ったバイパス流れを緩和する。
本発明では、マトリックスは、炭素繊維、炭化可能な有機粉及び分散安定化剤(rigidizer)の混合により形成でき、その結果スラリーが形成される。次にスラリーは、マイクロチャネル内の完全充填を確保するために真空技術を使用してマイクロチャネル中へ導入される。次に炭素材料は（例えば約５０℃で）乾燥され、加圧され熱処理される（例えば、不活性ガス２００〜２０００ポンド／平方インチｐｓｉ＝１．３７８〜１３．７８ＭＰａ、１３０℃〜４００℃）。次に得られたマトリックスは、例えば６５０℃以上での不活性環境で処理されて炭化される。炭素繊維及びコンポジット材料を形成するいくつかの従来例は、本発明のマイクロチャネル中に使用することに利用できる。従来方法の例は、米国特許第５３３４４１４及び５７４４０７５号に記載されており、ここでその全てを資料として使用する。

本発明の他の例では、マトリックス前駆体は、ラネー金属の触媒合金及びリーチング可能な材料（例えばＣｏ及びＡｌ）、活性金属粉（例えばＣｏ）、任意で孔形成剤（例えばワックス球）、並びに任意で湿潤剤（例えば水）の混合により形成できる。この混合物を、マイクロチャネル中へ導入し、好ましくはマイクロチャネル中の反応領域を充填する。得られた組成物は乾燥し、次に孔形成剤を焼成により除去できる。マイクロチャネル環境へ適用できる従来の方法の例は、米国特許第５５３６６９４号に記載されており、ここでその全てを資料として使用する。
本発明は又、電界又は磁界を適用してマイクロチャネル中で粒子（サポート粒子又は触媒粒子等）を配列する方法を提供する。例えば、マイクロチャネル中の磁気的粒子は、磁界によって配列され及び／又はマイクロチャネルの壁へ引き寄せられてもよい。好ましくは、本発明の段階的触媒はある種の粒子は磁性があり（一方、残りの種類は弱い磁性か非磁性である）、粒子が反応マイクロチャネル中へ磁界の影響で（マイクロチャネルの壁が磁化されているか外部磁界が適用されることを意味する）導入されて調製される。配列は触媒粒子に対し、又はその次に触媒粒子形成処理が行われる粒子（サポート粒子等）に対し行われることができる。

別の方法では、高い縦横比触媒又は触媒サポートが、反応マイクロチャネルの１以上の壁上で成長する。これは磁性前駆体材料がマイクロチャネル壁へ引き寄せられる磁界の影響下で行われてもよい；例えば、鉄フレーク又はロッドはマイクロチャネル中に整列され、焼結され次に触媒サポートとして使用されてもよい（次に焼結及び／又は高い表面積層及び活性触媒材料のコーティングである目的のステップが続いてもよい。）。同様に電気めっき又は無電解めっきが、マイクロチャネルの壁へ直接接触して樹枝状ウィスカー又は繊維を成長させるために使用できる。この場合、マイクロチャネルは溶解された触媒構成成分を含有する電気分解性溶液で充填されてもよい；チャネル壁及び溶液間の電界電位の適用で、ある種の触媒的構成成分は優先的にチャネル壁上にめっきされることができる。電気めっきでは、マイクロチャネルは溶液で充填され、溶液からのイオンが壁に付着し、その上に配置されるような電界内に置かれる。無電解めっきでは、金属及び還元剤の溶液をマイクロチャネル中へ導入し、反応させてマイクロチャネル壁上に還元された金属を配置する。しばしば無電解のめっきプロセスではイオンから金属へ金属を還元することを促進する少量の成核剤又は触媒を析出して行なわれる。これらの配置はマイクロチャネル壁への触媒密着性が熱移動を増加させることから特に適切である。好ましくは、高い縦横比の、熱伝導性粒子がマイクロチャネル中に１の方向、即ち実質的に流れに直交しマイクロチャネル壁に接触するように配列され−その結果、熱移動が促進される。

他の例では、反応マイクロチャネルの壁をエッチングして多孔質触媒サポートを形成してもよい。上記記載のモールド中の触媒形成技術と同様に、触媒（段階的触媒を含む。）は、粒子焼結等の技術によりマイクロチャネル中にin situで形成できる。又、本発明の触媒は電気化学的付着を使用してマイクロチャネルの壁上に配置できる。
触媒適用の使用では、マトリックス（段階的マトリックスを含む）を１以上のステップで処理して触媒的（更に触媒的）表面を形成してもよい。これらステップとして下記が挙げられる：エッチング、化学蒸着又はプラズマ蒸着、薄め塗膜、含浸、沈殿、リーチング等。混合又は熱移動装置としての使用では、マトリックスは直接使用しても、不活性化、エッチング、コーティング等の更に目的の物性を強化するために処理して使用してもよい。

マイクロチャネルへの担持方法
次に続く製造ステップが触媒を破壊しない場合、薄め塗膜、ゾルゲルプロセス、化学的蒸着等の技術によりマイクロチャネル中に、触媒を形成してもよい。同様に、ペレット又はモノリス等の比較的大粒子をマイクロチャネル中に落下させ入り込ませることもできる。結合条件又は積層条件が触媒を破壊しない場合、触媒成分は部分的に組み立てられた装置内に配置され又は形成されてもよく、その触媒は結合後に再活性化されてもよい（触媒製造は結合後まで完成されなくてもよい−即ち、触媒前駆体が部分的に組み立てられた装置中に担持される）；例えばシートが積層された装置へ結合される前に（触媒前駆体を）シート上に配置する。
触媒粒子の製造方法として、その粒子はマイクロチャネル中への担持後に活性化される触媒前駆体粒子でもよいことは当然である。

粉等の比較的小粒子（例えば、１以上の寸法が１５０μｍ未満である粒子、例えば１以上の寸法が１００μｍ未満である粒子、及び例えば寸法が５０μｍ未満である粒子）は、静電気又は風若しくは気流によりマイクロチャネル中への充填が困難であり、触媒粒子が損失したり目的外の位置へずれることがある。本発明では、好ましくは、磁界を１以上のマイクロチャネルへ適用して、触媒粒子が磁界の影響下で担持される。好ましくは触媒粒子は磁性又は強磁性である。同様に、好ましくは、触媒粒子は電界電位を有するマイクロチャネル中に担持されてもよい；好ましくは触媒粒子は荷電されるが、多くの場合、粒子は粒子が荷電される必要のない程度に充分に極性を有する。反対に、小さな触媒粒子はゾル形状で製造され、（超）音波処理によりマイクロチャネル中にコーティング又は担持される。

更に、粒子を担持する場合にはｑ、マイクロチャネル中に粒子を配列するために磁界又は電界が使用できる。例えば、粒子は（次回又は電界のある無しいずれの場合にも）マイクロチャネル中に担持され、次に磁界又は電界内で配列されてもよい。好ましくは、縦横比が１．１を超える（更に好ましくは３を超え、最も好ましくは１０を超え、ここでは「高縦横比の粒子」という）粒子がマイクロチャネル中に配列され、粒子の最長軸が実質的にチャネル壁に垂直（１０度以内）となり−好ましくは、高縦横比の粒子の少なくとも５０％、更に好ましくは高縦横比の粒子の少なくとも８０％が実質的にチャネル壁に垂直となる。更に好ましくは、これらの粒子はチャネル壁へ接触し、その結果マイクロチャネル壁及び反応チャネルの内側の間で熱エネルギーを伝導する。電界３０１適用影響下で担持される粒子の一例を図３ａに示す。触媒粒子３０５は適用された電界影響下で反応チャネル３０７中に担持される。具体的には、反応チャネル層はマイクロチャネル熱交換器３０３間に交互に配置される。この具体例では、隔離層３０９が存在する。配列された粒子を備えた１の例を、壁３０２、３０４、３０６を有するマイクロチャネルを表す図３ｂに示す。棒状触媒粒子３０８は矢印で示された適用磁界の向きに実質的に合うようにマイクロチャネル中に配列する。

高縦横比の粒子は粒子の長さ方向に沿って触媒勾配を有してもよい。好ましくは、高い縦横比（触媒勾配）粒子は、反応チャネル中で極性化されて配列し、大部分の粒子（少なくとも６０％）が、より多量の活性触媒金属を有する粒子の末端をマイクロチャネル壁近くとし、より少量の活性触媒金属を有する粒子の末端を反応チャネルの中心近くとする。例えば、高い縦横比極性化可能な粒子（段階的触媒を含む又は含まない）はマイクロチャネル中に配列する；好ましくは少なくとも５０％（質量）、更に好ましくは少なくとも７５％の粒子がマイクロチャネル中に配列し、それらの中心軸は１０度以内で平行である。好ましくは、粒子は磁界の影響下でマイクロチャネル中に配列され、粒子（金属触媒サポート等の前駆体粒子を含む。）を焼結して粒子を適切な場所に固定化し、粒子配列の乱れ無しに磁界を除去出来る。高縦横比の粒子は、高さの幅に対する比が少なくとも３（更に好ましくは少なくとも１０）である粒子である；但し、高さは最大寸法であり幅は高さに垂直な最小寸法であり；「最小寸法」は粒子の所定の寸法の幅の穴のふるい網を通過できる寸法を意味し、針状体ではこのふるい網法は精密な幅を測定できるが、板状体では幅は一般的には顕微鏡により測定される。

好ましくは、図３ｂに示されるような装置は、シートをスタッキングし、結合、接着又は圧着してシートを一緒にすることにより製造してもよい。好ましくは、粒子３０８は粒子をマイクロチャネル壁へ先端を付けて加熱焼結して適切な場所に固定する。触媒粒子は、粒子が反応チャネル中に担持される前又は後のいずれかで触媒又は界面層でコーティングされてもよい。好ましくは、粒子は軟化して粒子をチャネル壁へ接着する低融点（マイクロチャネル壁に関して）材料でコーティングされる。

他の例では、触媒粒子の導入後、それらはin situで壁へ固定され接着される。この接着は、触媒粒子をマイクロチャネル壁及び粒子へ強い結合を形成する薄膜材料でコーティングすることにより達成できる。このプロセスは、任意で触媒サポートを使用して行なわれ、活性触媒的材料が更なるステップで添加できる。コーティングステップは無電解めっき又は電気めっきで達成できる。好ましいコーティング材料は、触媒及びマイクロチャネル壁間の熱移動を促進する高い伝導性を有する金属又は合金として配置される。他の例ではコーティングは、材料の還元又は部分的還元によるような、化学的又は熱的に処理されて低い熱伝導性材料からより高い熱伝導性材料へ改変されてもよい。

触媒の除去方法
マイクロリアクターの小さな寸法のおかげで、触媒の補充は出費がかさみ困難な作業である。マイクロチャネルからの触媒除去方法の１種は、触媒又はそのサポートを分解するか、触媒構造の一部を分解して、全ての触媒構造が崩壊し、吸引、流出、すすぎ等のプロセスによりチャネルから容易に除去できるように充分に高いエネルギーを放出するか又は更に化学反応を行なって、異なった種類の反応を行ってもよい。別の触媒除去方法は、触媒を溶解するがリアクターを攻撃しない腐食性液体を導入する。触媒除去は、燃焼反応及びそれに続く酸洗浄等の複数のステップを必要とする場合がある。

流れ攪乱具及びマイクロミキサー
流れ攪乱具は触媒上のオープンフローパス中に配置された要素である。流れ攪乱具は、オープンフローパスの１以上の寸法が５ｍｍ以上である場所のオープンフローパス内にある。流れ攪乱具は層流又は遷移流を乱流へ変換する。流れ攪乱具は通常オープンフローパスの体積の約２０％未満、好ましくは１０％未満を占める。構造的サポートを提供する単純な「垂直的」柱状体（ポスト）は流れ攪乱具ではない（他方、水平安定板を有する「垂直的」柱状体は流れ攪乱具である）。同様に本発明では、触媒を保持する機能を有する柱状体又はワイヤーは流れ攪乱具ではない。好ましい例である図２に示す流れ攪乱具２０４は、棒状体（バー）である。まっすぐなバーが示されているが、攪乱具はコークスクリュー形状体、有刺鉄線等の他の形状でもよいことは当然である。流れ攪乱具はワイヤー（好ましい例である）が示されているが、縄状体又は他の材料でもよい。流れ攪乱具は触媒２０２上に配置されている。本発明を限定するものではないが、触媒は、薄め塗膜、蒸着体又はモノリス型挿入物等の適切な形状でもよい。マイクロチャネル２０８は高さｈを有する。オープンフローパス２０６の高さｈは５ｍｍ未満である。反応マイクロチャネル中に単一の流れ攪乱具があっても、少なくとも２、５、１０又はそれ以上の複数の攪乱具があってもよい。図には触媒から突出しているサポートを備えた流れ攪乱具が示されているが、攪乱具用のサポートが触媒へ接触する必要がないのは当然である。流れ攪乱具は又、柱状体又は（構造的サポートを提供しない）乱流を引き起こす他の突出物でもよい。流れ攪乱具は又反応チャネル中へ挿入されるスパイラル形状等の担持されない挿入物でもよい。好ましくは、攪乱具は触媒を備えず（即ち、装置中で実施され又は実施を目的とされる化学反応を触媒しない）、一方触媒的流れ攪乱具は触媒的活性を有していてもよい。勿論、「流れ攪乱具」は、反応チャネル中に担持された、単なる触媒粒子、ペレット、コーティング、泡状体、綿状体、フェルト又はハニカムとして判断されるべきではない。流れ攪乱具は、コーティングされ、その化学的安定性、適合性、又は目的の反応への活性を増加するために処理されてもよい。
又本発明の別の好ましい流れ攪乱具は、触媒フェルトから引き出された縄状体である。

マイクロミキサーとしてスタティックミキサー及びマイクロタービンが挙げられる。マイクロミキサーは、例えば上記記載の流れ攪乱具でもよい。好ましいマイクロミキサーとして、スクリュー形状又は流れ方向に主軸を備えたスパイラル形状が挙げられる。マイクロタービンは外部電気ソースにより駆動されてもよいが、好ましくはタービンは電気的に駆動されず、タービンを通る流体流れにより駆動される。マイクロミキサーは、目的の反応用非多孔質触媒又は、触媒的活性材料でコーティングされた多孔質又は非多孔質サポート材料のいずれかで構成される。好ましくは、触媒的活性材料はマイクロミキサーの表面上に分離した島状に分散されている。更に好ましくはマイクロミキサーはサポート材料から構成され、比較的（サポートに対して）高い表面積コーティング（好ましくは金属酸化物）及び高い表面積コーティング上に分散された触媒的活性金属を備える。例えば、バッファ層は、サポート（サポートはステンレススチール、他の金属、又はセラミックでもよい。）及び高い表面積コーティング間に配置されることができる。低い温度が適用される場合では、サポートはプラスチックでもよい。マイクロチャネル中のマイクロタービンは、エネルギーを流体流れへ付与してもエネルギーを流体流れから取り出してもよい。前者の場合、マイクロタービンは、電気的、機械的、磁気的、又は他の動力源により駆動される必要がある。後者の場合、マイクロタービンは、力を発生してプロセスの別の部分で使用するために、又は単に流体流れの流量特性を改良するために使用できる。本発明では、マイクロミキサーは、反応チャンバ（好ましくはマイクロチャネル）のバルクフロー領域中に配置された要素であり−そこではバルクフロー領域は、マイクロミキサー以外には実質的に遮られていない。マイクロミキサーは５ｍｍ以下の１以上の寸法を有する。

本発明によると、流れ攪乱具、マイクロミキサー（マイクロタービン等）はオープンフローパス中の不透過性バリアを形成せず、実質的に全ての流体を触媒を通して流す。
流れ攪乱具は、マイクロチャネル中に溶接されるか付着して結合されることのできるワイヤー又は縄状体等の好ましくは伸ばされた材料である。マイクロミキサーは好ましくは別に製造され反応チャネル中に配置されてもよく；又、マイクロミキサーは、反応チャネル中に共キャストされてもよく機械加工されてもよい。マイクロタービンはマイクロエレクトロ機械的システム技術で開発された技術を使用して製造できる。触媒的コーティングは、薄め塗膜、化学的蒸着、電気化学的付着等を適用できる。

化学反応
操作条件は、チャネルの性質及び触媒の量、及び行なわれる化学反応の種類の特定の組み合わせに応じて最適化できる。本発明のプロセスとして下記が挙げられる：アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元性アルキル化、アミノ化、アンモ酸化芳香族化、アリール化、自熱的改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元性カルボニル化、カルボキシル化、還元性カルボキシル化、還元性カップリング、縮合、クラッキング、水素化分解、環化、シクロオリゴマー化、脱ハロゲン化、脱水素、オキシデヒドロ化、二量体化、エポキシ化、エステル化、交換反応、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、ハロゲン水素処理、同族体化、水和、脱水、水素添加、脱水素、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、ヒドロシル化、加水分解、水素化処理（水素化脱硫ＨＤＳ／ＨＤＮ等）、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、酸化、部分的酸化、重合、還元、リフォーメーション、リバース水性ガスシフト反応、サバティエ反応（サバティエ・サンドラン還元）、スルホン化、テロメリゼーション、トランスエステル化、三量体化、及び水性ガスシフト反応。上記それぞれの反応において、当業者に公知の触媒及び条件があり；本発明はそれらの触媒を使用する装置及び方法を含むものである。例えば、本発明は、アミノ化触媒を使用するアミノ化方法及びアミノ化触媒を備えた装置に関する。本発明では上記記載のそれぞれの反応用に、個別（例えば水素化分解）又は組み合わせ（例えば、ハロゲン水素処理、ハロゲン水素処理を伴うヒドロメタル化及びヒドロシル化、ヒドロメタル化及びヒドロシル化触媒のそれぞれ）のいずれにも対応する記載をしている。本発明の触媒及び／又は装置を使用するそれぞれの反応への適切なプロセス条件に関して、先行技術の知識及び／又は通常の実施操作により特定できる。例えば、本発明は、ここで記載したいずれかの触媒又は装置を使用したフィッシャー・トロプシュ反応を提供し、触媒的活性金属はＣｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｎｉ、又はこれらの組み合わせを含有してもよく、任意で当分野で公知の１以上のプロモーターを含有してもよい。

例えば、本発明のプロセスは３００℃以上、好ましくは４５０℃以上、例えば２００℃〜１０００℃の範囲、好ましくは３００℃〜８００℃の範囲の温度で実施できる。本発明の最も広い範囲では、本発明はこれら温度に限定されない。好ましくは、反応物は気体であり、プロセスは、例えば２絶対気圧（ａｔｍ）を超え、好ましくは２０ａｔｍ以上、更に好ましくは１００ａｔｍ以上で実施されてもよく；例えば本発明では、反応は１ａｔｍ未満の低圧で実施されてもよい。

例えば本発明では、流体中の触媒粒子の分散体は、反応マイクロチャネル中を通過する。触媒粒子は次に第二リアクターを通過し、反応マイクロチャネル中を再循環してもよい。マイクロチャネルリアクター中でスラリー粒子は、流体流れへの障害物を形成せずに円滑に流れるように充分小さい必要がある。スラリープロセス中、通常少なくとも８０（質量）％、好ましくは少なくとも９０％、更に好ましくは全ての触媒粒子は、本質的にそれらの最大寸法が通常７５マイクロメーター未満、好ましくは５０マイクロメーター未満、更に好ましくは２０マイクロメーター未満である。粒子の実際の寸法は、スラリー流体の粘度、流れ速度、ガス組成等及び他の因子の変数である。スラリーリアクターは特に、熱及び質量輸送の増加を目的とするフィッシャー・トロプシュ反応用に最適である。

本発明では一般的に安定した状態の条件下にあるが、反応を目的の温度範囲とする（又は維持する）ために熱交換器が使用できることは当然である。例えば、近接したチャネルを別の反応用に使用でき、例えば発熱反応が１の反応チャネル内で行なわれ、吸熱反応が１の近接した反応チャネル内で行なわれてもよく、その場合熱交換チャネルは又１の化学反応を行い１の適切な触媒を備えてもよい。本発明は又、本発明の触媒及び／又は装置を使用した反応の開始方法を提供し、例えば、段階的触媒を備えたマイクロチャネル中で燃焼反応を行い、近接した反応チャンバの開始熱を提供してもよい。

結び；
ここで本発明の好ましい例を示し、記載したが、当業者には多くの変更及び改変が本発明の範囲内で可能であることが明らかである。従って、従属請求項、本明細書、図面の記載は本発明の例示であり、本発明を限定するものではない。

直交流マイクロチャネルリアクターの概略図を示す。触媒は、好ましくはコーティング、挿入可能なフェルト若しくは泡状体又は充填された粉のいずれかの形状でプロセスチャネル中に配置される。この図では、熱交換流体は下向きに流れ、プロセス流れは頁の表面から裏側へ向かう方向で流れる。熱交換流体は又、平行流又は逆流として交互に配列されてもよい。 流れ攪乱具２０４を備えた反応マイクロチャネルの断面の概略図である。 電界の影響下でマイクロチャネルリアクターの中へ担持される粉を示す概略図である。 磁界の存在下で担持された異方性粒子を備えたチャネルを示す概略図である。 モールド中の段階的な挿入物の形成を示す概略図である。上の図は、マイクロチャネルの、第一触媒層で充填された予備成形品を示す。触媒層では組成物、粒子径、密度等が変化してもよい。下図は２個の更なる触媒層で充填された予備成形品を示す。 段階的触媒を備えた反応チャネルの長さ方向の断面概略図である。 チャネル壁近くで比較的高い濃度の活性触媒を有する段階的触媒を備えた反応チャネルの断面概略図である。

Claims (35)

1. 下記ステップを有する反応実施方法：
   １以上の反応物をマイクロチャネル入口を通してマイクロチャネル中へ流入させるステップ；但し、上記マイクロチャネルは：マイクロチャネルの断面を実質的に占める段階的触媒、入口近くはマイクロチャネル内のどこよりも低い濃度の触媒的活性材料を有する段階的触媒、及び、マイクロチャネルの壁近くはマイクロチャネルの中心近くの触媒中の触媒的活性材料の濃度よりも高い濃度の触媒中の触媒的活性材料を有する段階的触媒の群から選ばれた触媒を備える；
   １以上の反応物をマイクロチャネル中で段階的触媒の存在下で反応させるステップ；但し、上記段階的触媒は、１以上の反応物が、その触媒の別の領域中よりも触媒の一部の領域中でより高い濃度の触媒的活性材料へ曝されるような触媒的活性材料の分布を有する；並びに
   １以上の生成物を形成するステップ。
2. 更にマイクロチャネル及び近接した熱交換器間で熱交換するステップを含有する請求項１の方法。
3. 段階的触媒は１種類の触媒的活性材料からなる請求項１又は２記載の方法。
4. 段階的触媒は別の触媒材料と接触していない請求項１〜３いずれか１項記載の方法。
5. マイクロチャネルは２以上の入口を有する請求項１〜４いずれか１項記載の方法。
6. 熱がマイクロチャネル及び近接した熱交換器間を移動する請求項１〜５いずれか１項記載の方法。
7. 上記熱交換器はマイクロチャネル熱交換器である請求項６記載の方法。
8. 更に下記ステップを有する請求項１〜７いずれか１項記載の反応実施方法：
   第一反応マイクロチャネル及び近接した、第二反応マイクロチャネル間で熱を交換するステップ；但し、上記第一又は第二反応チャネルの一方は発熱反応を有し、反応チャネルの他方は吸熱反応を有する；並びに
   第一反応マイクロチャネル中に１以上の第一生成物を形成し、第二反応マイクロチャネル中に１以上の第二生成物を形成するステップ。
9. 反応ステップがマイクロチャネル中で行われている間に熱が交換される請求項８の方法。
10. 第二反応マイクロチャネルは開始熱を提供する請求項８又は９の方法。
11. 第二反応マイクロチャネルは段階的触媒を備えた請求項８〜１０いずれか１項記載の方法。
12. 反応ステップはフィッシャー・トロプシュ反応、メタノール合成反応、及び部分的酸化反応の群から選ばれる反応を行なう請求項１〜１１いずれか１項記載の方法。
13. １以上の反応物及び触媒は、反応ステップの反応が下記群から選ばれる様に選択される請求項１〜１２いずれか１項記載の方法：アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元性アルキル化、アミノ化、アンモ酸化、アンモニア合成、芳香族化、アリール化、自熱的改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元性カルボニル化、カルボキシル化、還元性カルボキシル化、還元性カップリング、縮合、クラッキング、水素化分解、環化、シクロオリゴマー化、脱ハロゲン化、二量体化、エポキシ化、エステル化、交換反応、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、ハロゲン水素処理、同族体化、水和、脱水、水素添加、脱水素、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、ヒドロシル化(hydrosilation)、加水分解、水素化処理（ＨＤＳ／ＨＤＮ）、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、重合、還元、リフォーメーション、炭化水素改質、
    リバース水性ガスシフト反応、サバティエ反応（サバティエ・サンドラン還元）、スルホン化、テロメリゼーション、トランスエステル化、三量体化、及び水性ガスシフト反応。
14. 反応ステップは改質反応を行い、段階的触媒はＰｔ、Ｎｉ及びＲｈの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
15. 反応ステップは脱水素反応を行い、段階的触媒はＰｄ及びＺｎを含有する請求項１３の方法。
16. 反応ステップはフィッシャー・トロプシュ反応を行い、段階的触媒はＣｏ、Ｒｕ、Ｆｅ、Ｒｈ、及びＮｉの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
17. 反応ステップは水素添加反応を行い、段階的触媒はＣｏ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＮｉの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
18. 反応ステップはアルコール又はエーテルの水素化分解反応を行い、段階的触媒はＰｄ、Ｐｔ及びＮｉの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
19. 反応ステップはアルコールの脱水反応を行い、段階的触媒はＣｕ、Ｐｔ及びＮｉの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
20. 反応ステップは水性ガスシフト反応を行い、段階的触媒はＦｅ、ＣｕＺｎ、ＣｏＭｏ及びＲｕの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
21. 反応ステップはアンモニア合成反応を行い、段階的触媒はＦｅを含有する請求項１３の方法。
22. 反応ステップは水素化分解反応を行い、段階的触媒はＰｄ及びＮｉ−Ｍｏの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
23. 反応ステップは水素化脱硫反応を行い、段階的触媒はＣｏ−Ｍｏ及びＮｉ−Ｍｏの群から選ばれる１以上の金属を含有する請求項１３の方法。
24. マイクロチャネル、及びマイクロチャネル中に配置された段階的触媒を備えた請求項１〜２３いずれか１項記載の方法を実施するための装置であり、上記段階的触媒は、段階的触媒の一部での熱伝導性が、その触媒の別の部分より少なくとも２５％高くなるように熱伝導性が変化する装置。
25. 段階的触媒は徐々に熱伝導性が変化する請求項２４の装置。
26. マイクロチャネルは入口及び出口を備え、段階的触媒は入口近くに比べて出口近くで高い熱伝導性を有する請求項２４又は２５の装置。
27. 触媒はマイクロチャネル中に配置された中空又は多孔質触媒粒子からなり、
    上記多孔質触媒粒子は個々の粒子中に大孔を有し；
    上記マイクロチャネルは断面積を有し；
    上記大孔は粒子径の１以上％の孔径を有するものをいい；
    上記中空又は多孔質触媒粒子はマイクロチャネルの断面積の１〜４０％である体積平均粒子断面を有する；
    請求項２４〜２６いずれか１項記載の装置。
28. 金属性中空又は多孔質触媒粒子を備えた請求項２７の装置。
29. 粒子は球形である請求項２７又は２８のマイクロチャネルリアクター装置。
30. マイクロチャネル中に配置された高縦横比の粒子を備えた請求項２４〜２９いずれか１項記載の装置であり、少なくとも４０質量％の高縦横比の粒子が、マイクロチャネルの壁に直交する１の方向に向かって実質的に配列する様に、上記高縦横比の粒子がマイクロチャネル中に配列される装置。
31. 高縦横比の粒子は熱伝導性材料からなる請求項３０の装置。
32. １以上の寸法は５ｍｍ未満である断面積を有するオープンフローパスを備えた請求項２４〜３１いずれか１項記載の装置であり；
    上記断面積は流れ方向に直交し、１の要素がオープンフローパス中に配置され、上記要素は流れ攪乱具及びマイクロミキサーの群から選ばれ；
    上記触媒はオープンフローパスの一つの壁の少なくとも一部を構成し、上記オープンフローパス中の断面積の１以上の寸法は５ｍｍ未満であり、オープンフローパス中の断面積内のいずれの場所をとっても触媒から５ｍｍ以上離れていない装置。
33. 触媒を含むマイクロミキサーを備えた請求項３２の装置。
34. 触媒上に配置された棒状体（バー）、コークスクリュー形状体、ワイヤー、又は触媒フェルトから引き出された縄状体の群から選ばれた流れ攪乱具を備えた請求項３２又は３３の装置。
35. マイクロチャネルは入口及び出口を備え、段階的触媒は入口近くに比べて出口近くで低い熱伝導性を有する請求項２４〜３４いずれか１項記載の装置。

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