JP2006514878A - 単段階プロセスチャネル内における平衡制限的化学反応を行うプロセス - Google Patents

Abstract

この発明は、単段階プロセスチャネル（１２０）において平衡限界的化学反応を行うプロセスに関する。交差流型熱交換（１５４）を備えたマルチチャネル反応器（１００）が開示されている。

Description

本出願は、同出願人によって２００２年８月１５日付で同時出願された代理人整理番号０２−０５２「同時吸熱・発熱反応を行う統合型燃焼反応器及びその方法」、代理人整理番号０２−００１「マルチストリームマイクロチャネルデバイス」、代理人整理番号０１−００２「冷媒及び生成物の流れにマイクロチャネルを採用した熱交換器における生成物の冷却プロセス」に関連する。上記出願をここに引用して援用する。

本発明は、単段階プロセスチャネル（single stage process
channel）内で平衡制限的化学反応（equilibrium limited chemical
reaction ）を行うプロセスに関する。本プロセスは、水性ガスシフト反応に加え、他の反応を行うのに適する。

水性ガスシフト反応は下記の反応式に従う平衡制限的な発熱化学反応である。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂
この反応の平衡定数、したがって推進力は、温度の低下に従い増大する。水性ガスシフト反応を実施する典型的な製造方法では、２つの反応器が用いられる。第１の反応器では、ＣＯ及びＨ₂Ｏを含む気体反応物を、典型的には触媒の存在下において約３５０℃〜約４００℃の温度で反応させることで、約８０％以上のＣＯ転化率が得られる。得られた中間生成物は、熱交換器内を通すことで冷却された後、温度約２００℃〜約２５０℃で運転される第２の反応器へと送られて、反応が完了される。これらの２反応器内での接触時間は、典型的には約３〜約９秒である。この技術における課題は、比較的大型で高価な反応器の使用を必要とすることである。

本発明は、プロセス内での接触時間が約１０〜約１０００ミリ秒の範囲となる単段階プロセスチャネル内での水性ガスシフト反応を行うプロセスを提供することにより、上記課題を解決している。本発明の反応器の有する反応域の大きさは、同規模生産能力を持つ従来型処理装置のサイズに対し、約１／３〜約１／９００程度である。本発明は燃料電池、石油精製、化学工業処理等に用いられるＨ₂の実行可能な供給源を提供する。本発明のプロセスは、フィッシャー・トロプシュ合成、水蒸気改質、メタノール合成、アンモニア合成等を含む他の化学反応の実施にも適している。

（発明の要約）
本発明は、所望の生成物を形成するため単段階プロセスチャネル内における平衡制限的化学反応を行うプロセスに関しており、以下の工程を含む。
（Ａ）第１の反応条件群の下で単段階プロセスチャネル内の第１の反応域に反応物を流して中間生成物を生成する工程であって、第１の反応条件群は第１の理論的平衡生成物の生成に適し、得られる中間生成物は所望の生成物を含んでいる工程；及び
（Ｂ）工程（Ａ）で未反応であった反応物及び中間生成物を第２の反応条件群の下で単段階プロセスチャネル内の第２の反応域に流して最終生成物を生成する工程であって、第２の反応条件群は第２の理論的平衡生成物の生成に適し、第２の理論的平衡生成物は第１の理論的平衡生成物より所望の生成物の濃度が高く、得られる最終生成物は所望の生成物を含んでいる工程

一実施形態においては、最終生成物中の所望の生成物の濃度は中間生成物中より高い。

一実施形態においては、工程（Ａ）の後であるが、工程（Ｂ）の前において、工程（Ａ）で未反応であった反応物及び工程（Ａ）で生成された中間生成物を別の反応条件群の下で単段階プロセスチャネル内の別の反応域に流して別の中間生成物を生成する工程が追加される。前記別の反応条件群は別の理論的平衡生成物の生成に適し、得られる別の理論的平衡生成物は第１の理論的平衡生成物より所望の生成物の濃度が高く、得られる別の中間生成物は所望の生成物を含む。

一実施形態においては、本発明は、以下の工程から成る単段階プロセスチャネル内における水性ガスシフト反応を行うプロセスを提供する。即ち、このプロセスは、ＣＯ及びＨ₂Ｏを含む反応物を単段階プロセスチャネルに流す工程を有する。ここで、プロセスチャネルは反応物が入る入口と生成物が出る出口とを有し、プロセスチャネルは水性ガスシフト反応触媒を収容し、反応物はプロセスチャネル内を流れるときに前記触媒と接触し、発熱反応を起こして生成物を生成し、生成物はＨ₂及びＣＯ₂を含む。このプロセスは、また、プロセスチャネルと熱的接触のある冷却剤チャネルに冷却剤流体を流す工程を有する。ここで、冷却剤流体とプロセスチャネルとの熱的接触によりプロセスチャネル内部に第１の反応域及び第２の反応域が形成され、この第１の反応域はプロセスチャネルの入口に近く、かつ第２の反応域はプロセスチャネルの出口に近く、第１の反応域内部の温度は第２の反応域内部の温度より高く、生成物の生成速度は第１の反応域で第２の反応域より大きく、ＣＯ転化率は反応物が第２の反応域を流れるに従い増大する。

一実施形態においては、本発明は、互いに平行に伸びる列として配置されており、触媒が内部に収容される単段階プロセスマイクロチャネルのアレイと、互いに平行に伸びる列として配置されており、単段階プロセスマイクロチャネルの横断方向に伸びる熱交換チャネルのアレイとを備えており、熱交換チャネルの列及び単段階プロセスマイクロチャネルの列は間隔の空いた平面層上に交互に置かれている装置を提供する。

（発明の詳細な説明）
「単段階プロセスチャネル」という用語は、平衡制限的化学反応が２群以上の平衡条件下において行われ、所望の生成物が生成された後にチャネルから流出するプロセスチャネルを指す。このプロセスチャネルは、段階の間に冷却又は加熱を必要とする多段式反応器とは区別される。

「平衡制限的化学反応」という用語は、２つの反対方向の化学反応が等しい速度で進行している化学反応を指す。平衡は反応温度、圧、流速、触媒又は反応物の組成の変更により、移動又はシフトさせることができる。

「マイクロチャネル」という用語は、幅又は高さの少なくとも１つの内部寸法が約１０ミリメートル（ｍｍ）以下であるチャネルを指し、一実施形態においては約０．２５〜１０ｍｍ、一実施形態においては約１〜約８ｍｍ、一実施形態においては約２〜約６ｍｍ、一実施形態においては約２．５〜約５．５ｍｍである。

「接触時間」という用語は、触媒床の体積を標準温度及び標準圧力における供給気体の体積流量で割った値を指す。

「反応域」という用語は、反応物及び生成物がその中を流れる触媒及び周辺領域の総体積を指す。

「滞留時間」という用語は、反応域の体積を反応系の温度及び圧力における反応物の入口体積流量で割った値を指す。

「ＣＯ転化率」という用語は、反応物・生成物間のＣＯモル変化量を反応物中のＣＯモル数で割った値を指す。

「ＣＯ₂選択性」という用語は、生成されたＣＯ₂のモル数を生成ＣＯ₂モル数と生成ＣＨ₄モル数の和で割った値を指す。

「標準リットル毎分」又は「ＳＬＰＭ」という用語は、０℃及び１気圧で測定されたリットル毎分単位の流量を指す。

本発明のプロセスは、単段階プロセスチャネル内における発熱平衡制限的化学反応又は吸熱平衡制限的化学反応を行うのに適する。化学反応が発熱性である場合、反応は冷却によって熱が除去される。化学反応が吸熱性である場合、反応には熱が加えられる。発熱性又は吸熱性化学反応によって与えられる加熱又は冷却には、付加的な冷却又は加熱が加わるため、プロセスチャネル内には少なくとも２カ所の反応域が形成される。反応域のうち１つは、プロセスチャネル入口近くの第１の反応域であることができる。反応域のうち別の１つは、プロセスチャネル出口近くの第２の反応域であることができる。第１の反応域と第２の反応域との間に、１カ所以上の追加反応域が形成されることがある。第１の反応域内部の温度は第２の反応域より高くてもよい。又は、第１の温度帯域内部の温度は第２の反応域より低くてもよい。冷却又は加熱の付加は、プロセスチャネル内の反応物の流れ方向に対して交差流、向流又は並流方向の熱交換チャネル内を流れる熱交換流体によって与えることができる。反応物及び生成物は、流体であることができる。即ち、気体、液体、気体及び液体の混合物、気体及び固体の混合物、気体、液体及び固体の混合物のいずれであってもよい。プロセスチャネル及び／又は熱交換チャネルはマイクロチャネルであってもよい。上記の議論は単独のプロセスチャネル及び／又は熱交換チャネルの使用について述べているが、本発明のプロセスを用いて複数のプロセスチャネル及び／又は熱交換チャネルを並行して運転させてもよいと理解されるべきである。例えば、同時に並行して運転する数十、数百、数千、数万、数十万、若しくは数百万のプロセスチャネル及び／又は熱交換チャネルを本発明のプロセスに採用してもよい。

第１の反応域において、本発明のプロセスは第１の理論的平衡生成物の生成に適した第１の反応条件群の下で実施される。第１の理論的平衡生成物の組成は、温度、圧力、流量、触媒又は使用する反応物の組成といった条件のうち１つ又はそれ以上の条件に依存する。第１の反応域で生成される中間生成物の組成は、第１の理論的平衡生成物の組成と同じ組成でなくてもよく、またある必要もないが、第１の反応域内での反応は第１の理論的平衡生成物を生成する能力を有する。第１の反応域で生成される中間生成物には、所望の反応生成物に加え、他の生成物を含む。例えば、反応が水性ガスシフト反応である場合、所望の生成物はＨ₂とされるであろうが、中間生成物はＨ₂を含み、且つＣＯ₂、ＣＯ、Ｈ₂Ｏ等の他の生成物を含んでもよい。採用した反応条件に基づく反応でのＣＯ転化率についての理論的平衡値は、例えば約９５％であろうと思われるが、本発明の第１の反応域で得られる実際のＣＯ転化率は理論的平衡値の約２０〜約１００％であり、一実施形態においては、理論的平衡値の約５０〜約９５％であると思われる。水性ガスシフト反応では、転化反応の大半は第１の反応域で起こるのが典型である。例えば、水性ガスシフト反応では、ＣＯは、その約４０〜約９５％が、一実施形態においてはその約６０〜約９５％が、第１の反応域で転化される。

第２の反応域において、本発明のプロセスは第２の理論的平衡生成物の生成に適した第２の反応条件群の下で実施される。第２の理論的平衡生成物の組成もまた、温度、圧力、流量、触媒又は使用する反応物の組成といった条件のうち１つ又はそれ以上の条件に依存する。第２の反応域で生成される最終生成物の組成は、第２の理論的平衡生成物の組成と同じ組成でなくてもよく、またある必要もないが、第２の反応域内での反応は第２の理論的平衡生成物を生成する能力を有する。第２の反応域で生成される最終生成物には、所望の反応生成物に加え、他の生成物を含む。例えば、反応が水性ガスシフト反応である場合、所望の生成物はＨ₂とされるであろうが、最終生成物にはＨ₂を含み、且つＣＯ₂、ＣＯ、Ｈ₂Ｏ等の他の生成物を含んでもよい。採用した反応条件に基づく反応でのＣＯ転化率についての理論的平衡値は、例えば９８％であろうと思われるが、本発明の第２の反応域で得られる実際のＣＯ転化率は理論的平衡値の約５０〜約１００％であり、一実施形態においては、理論的平衡値の約８０〜約９９％であると思われる。水性ガスシフト反応では、第２の反応域における反応速度は第１の反応域より低いが、ＣＯの転化率は増大する。例えば、水性ガスシフト反応では、第２の反応域の終端で到達されるＣＯ転化率は約１〜約５０％であることができ、一実施形態においては約５〜約４０％である。

上で指摘したように、第１の反応域と第２の反応域との間に、１カ所以上の追加的な反応域を採用してもよい。この追加的な反応域においては、１種類以上の追加的な理論的平衡生成物の生成に適した１種類以上の反応条件群の下で反応が実施される。この追加的な理論的平衡生成物のそれぞれの組成は、温度、圧力、流量、触媒又は使用する反応物の組成といった条件のうち１つまたはそれ以上の条件に依存する可能性がある。この追加的な反応域のそれぞれで生成される実際の中間生成物の組成は、対応する理論的平衡生成物の組成と同じ組成でなくてもよく、またある必要もないが、追加的な反応域内での反応は当該の理論的平衡生成物を生成する能力を有する。

プロセスチャネルには、その長さに沿って、反応の下流の点に１種類以上の追加反応物の流入を可能とするため、１カ所以上の追加入口を設けてもよい。一実施形態においては、プロセスチャネルは、プロセスチャネルの入口とプロセスチャネルの出口との間に伸びる長尺区間があり、且つこの長尺区間には、少なくとも１種の追加気体反応物がプロセスチャネルへの流入するのを許容する少なくとも１カ所のプロセスチャネルへの追加入口が形成されている。この実施形態は、ある種の酸化及び水素添加反応に使用することができる。この類の反応においてしばしば所望される温度分布は、深い酸化又は完全水素添加を防止するためほぼ等温分布、若しくは最高温度が触媒の半融或いは失活に至る温度未満に保たれる非等温分布である。反応器又は反応器に使用される構造材料の構造的限界に接近することのない温度分布も、また好ましい。これを実現するには、プロセスチャネルの長さに沿って位置する追加流入点でプロセスチャネルに酸素又は水素を追加することが有利である。酸素又は水素全体の一部分のみが、プロセスチャネルに沿った様々な中間点から追加されたとき、局所温度は比較的低くなる。この全般的な温度の低下により、酸化反応の場合は二酸化炭素への、水素添加反応の場合は完全水素添加生成物への不要な反応が妨げられる。

プロセスチャネルには単独の触媒が収容されても、２種類以上の触媒が収容されてもよい。プロセスチャネルの長さ方向に沿った触媒活性は、プロセスチャネル内部で所望の温度分布を形成するため徐々に、又は段階的に変化させることができる。このような温度分布は、プロセスチャネルの所望の選択性分布を調整するのに役立つ。一実施形態においては、プロセスチャネル内には、プロセスチャネル入口近くの第１の反応域に第１の触媒、プロセスチャネル出口近くの第２の反応域に第２の触媒が収容される。触媒は、プロセスチャネル内に恒久的に存在する必要はない。一実施形態においては、触媒は反応物及び生成物の流れによってプロセスチャネル内を運ばれる。

熱交換流体は発熱反応の場合には冷却剤、吸熱反応の場合は加熱媒体であることができる。熱交換流体は気体状、液状、多相状のいずれかの形態の炭化水素を含んでもよい。熱交換流体はまた、吸熱反応を進めるための同時燃焼中に熱交換チャネル内で生成される燃焼生成物の混合物であってもよい。

触媒活性をプロセスチャネルの長さに沿って漸進的又は段階的に変化させる形態は、フィッシャー・トロプシュ合成反応とともに使用することができる。温度の上昇に従い、不要のメタン生成副反応に次第に有利な条件となる。発熱性のフィッシャー・トロプシュ反応の活性が最も高い部分は、気体反応物の濃度が最高であるプロセスチャネルの入口である。後にホットスポットが形成され、不要なメタンの形成が増加することとなる。プロセスチャネル入口部に比較的活性の低い触媒を代用すると、局所的な転化率が低下し、ひいてはホットスポットの規模及びメタン化に向かう率が軽減する。プロセスチャネルの長さの下流に向かい触媒活性を徐々に上昇させると、全体のメタン選択性は低く抑えながら全体の転化率は高まる。一方、プロセスチャネルを区域に分割し（例：四分割等）、プロセスチャネルへの入口部には最も活性の低い触媒を置き、それに続いてプロセスチャネルの長手を反応物の流れ方向に下るに従って次第に活性の上昇する反応域を設けてもよい。

吸熱反応は、熱力学的にも速度論的にも、温度が高いほど促進される。一部の吸熱反応は、温度が低いほど熱力学的に促進される好都合な副次的発熱反応と共役することもある。この反応例として、水素に加えて一酸化炭素及び二酸化炭素の混合物を生成するメタンの水蒸気改質反応（又はさらに分子量の大きい炭化水素の他の改質反応）がある。温度が高いと、水素と一酸化炭素に転化されるメタンの量が増加する。温度が低下するに従い、一酸化炭素と水から二酸化炭素と水素を生成する共役水性ガスシフト反応の発熱性という性質のため、水素及び二酸化炭素の理論的平衡生成反応が促進される方向に向かう。この実施形態においては、気体反応物が、約４５０〜約９５０℃の範囲にある高温の反応域の中を流れ、反応域内でメタン（又はさらに分子量の大きい炭化水素）転化が平衡に近づく、又は平衡に達する。生成物の混合物は引き続きプロセスチャネル内の低い温度の反応域内を流れる。この反応域内部の運転温度は高い温度の反応域より少なくとも約２０℃低く、約４００〜約８５０℃の範囲である。この低温の反応域では、高温の反応域に由来する生成物合成気体（一酸化炭素と水）が引き続き二酸化炭素と水素へと転化される。

合成用原料ガス（ＣＯ及びＨ₂）からのメタノールの生成は平衡制限的な発熱反応であり、本発明のプロセスに従い実施することができる。高い温度は、メタノール合成に向けての熱運動には有利であるが、平衡転化率を高くするには不利である。例えば、温度約３００℃及び圧力約７３５ｐｓｉｇの合成用原料ガスからのメタノール合成においては、到達可能な最大転化率は約１５％である。温度約２００℃及び圧約７３５ｐｓｉｇで到達可能な最大平衡転化率は約６５％に上昇する。一方、本発明のプロセスチャネルを入口部において約２００〜約３００℃の比較的高温で運転すると平衡転化率に近づき、一実施形態においては転化率の熱力学的限界の約５０％〜約９９％の転化率が得られ、また、出口付近において約１００〜約２００℃の低温では、反応器出口付近の高い平衡能力によって可能となる全般的には更に高い転換率が達成される。

アンモニア合成も平衡制限的な発熱反応であり、本発明のプロセスに従い実施することができる。高い温度では、速い熱運動によって窒素と酸素からアンモニアへの転化が促進される。しかし到達可能な平衡転化率は低い。温度が低下するに従い、それに対応して反応速度も低下するが、一方で平衡能力は高い転化率に有利となる。例えば、温度約３００℃及び圧約７３５ｐｓｉｇにおいては、到達可能な最大の転化率は１回の反応器通過あたり約１５％である。温度約２００℃及び圧力約７３５ｐｓｉｇで到達可能な最大の転化率は約７５％に上昇する。本発明のプロセスにおいては、プロセスチャネル入口部又はその付近では約３００〜約５００℃の比較的高温でプロセスチャネルを運転してもよい。この条件によって窒素と水素の変換に速い熱運動が提供され、利用可能な熱力学的転化率限界へと近づく。プロセスチャネルの出口部又は出口付近では約１００〜約３００℃の低い温度とすることで、追加の合成を進めてより高い利用可能な熱力学的転化率限界へと近づけることができる。

本発明のプロセスは、アセチレン付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水素脱アルキル化、還元アルキル化、アミノ化、アンモニア合成、芳香族化、アリール化、自熱改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元カルボニル化、カルボキシル化、還元カルボキシル化、還元カップリング、縮合、クラッキング、水素添加分解、環化、環状オリゴマー化、脱ハロゲン化、二量化、エポキシ化、エステル化、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、ヒドロハロゲン化、ホモログ化ホモロゲーション、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、ヒドロシリル化、加水分解、水素処理、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、メタノール合成、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、改質、逆水性ガスシフト、スルホン化、テロメリゼーション、エステル交換、三量化、サバティエ反応、二酸化炭素改質、選択酸化、選択メタン化のいずれかの化学反応のうち１種以上を行うのに適する。

本発明のプロセスは、水性ガスシフト反応を行うのに特に適しており、以後はこの種の反応の実施に関して述べる。図１について述べると、反応物１０が単段階プロセスチャネル２０の中を流れ、そこで反応物が単段階プロセスチャネル２０内部に収容された触媒３０と接触し、生成物４０へと転化される。反応物１０はＣＯ及びＨ₂Ｏを含む。触媒３０は水性ガスシフト反応触媒である。生成物４０はＨ₂及びＣＯ₂を含む。単段階プロセスチャネル２０の中を流れる反応物１０及び生成物４０は、単段階プロセスチャネル２０と熱的に接触する冷却剤流体５０によって冷却される。冷却剤流体５０は、反応物１０及び生成物４０の流れ方向に対して交差流方向にある冷却剤チャネル内を流れる。これに代えて、冷却剤流体は反応物１０及び生成物４０の流れに対して並流若しくは向流方向に流れてもよい。生成物４０は貯蔵タンク、燃料補給所、水素添加分解装置、燃料電池システム、水素処理装置へ、又は水素精製装置へと送ってもよい。生成物４０は石油精製、化学工業処理等に使用してもよい。

生成物４０中のＨ₂は精製してもよい。これは生成物４０から一酸化炭素の一部又は全部を除去するクリーンアッププロセスで行うことができる。クリーンアッププロセスは単段階プロセスチャネル２０の内部で行っても、単段階プロセスチャネル２０の外部で行ってもよい。クリーンアッププロセスは、選択酸化反応器、水素又は一酸化炭素のいずれかの膜分離、水素又は一酸化炭素のいずれかに対する収着に基づく分離システム、メタン化反応器等を用いて実施することができる。

生成物４０中のＨ₂は燃料電池の運転に使用してもよい。燃料電池内ではＨ₂がＯ₂と化合して電気を生成する。図２について述べると、反応物１０が上記と同じ方式により単段階プロセスチャネル２０内で生成物４０へと転化される。生成物４０中のＨ₂は燃料電池６０へと送られ、燃料電池内ではＨ₂がＯ₂と化合して電気を生成する。使用してもよい燃料電池は市販されており、ここに記載する必要はない。

生成物４０に由来するＨ₂は供給材料の水素化、水素処理、ハイドロアルキル化、水素添加分解又は水素化脱硫に使用してもよい。生成物に由来するＨ₂は反応させ、塩化水素、臭化水素、エタノール、メタノール、アンモニア等を生成してもよい。

生成物４０に由来するＨ₂は、ＭｇＨ₂、Ｍｇ2ＮｉＨ₄、ＴｉＦｅＨ₂、ＬａＮｉ₅Ｈ₆、ＰｄＨ₂等の金属水素化物の製造に使用してもよい。生成物に由来するＨ₂は油脂の水素化に使用してもよい。生成物に由来するＨ₂は金属鉱石又は触媒の還元に使用してもよい。

単段階プロセスチャネル２０内部で起こる水性ガスシフト反応は、発熱反応である。発熱反応で発生する熱及び本発明のプロセスで採用された冷却の組み合わせによって、単段階プロセスチャネル２０の入口２１付近には高温の反応域を形成し、単段階プロセスチャネル２０の出口２２付近にはより低い温度の反応域を形成する作用がある。反応速度は、ＣＯ転化反応の大半が起こる高温の反応域でより高い。低温の反応域での反応速度は高温反応域より低いが、許容される平衡転化率は低温反応域のほうが高い。

単段階プロセスチャネル２０の横断面は、例えば正方形、長方形、円形等いかなる形状であってもよい。チャネル２０の横断面は、チャネルの長さに沿った様々な位置で異なる形状であってもよい。例えば、プロセスチャネルの長さに渡って、プロセスチャネルの横断面を相対的に大きな寸法から相対的に小さな寸法へと漸減させる（またはその逆）ことができる。単段階プロセスチャネル２０はマイクロチャネルであってもよい。単段階プロセスチャネル２０の長さは約０．０５インチ（１．２７ｍｍ）〜約２０フィート（６．１メートル）とすることができしてもよく、一実施形態においては、約１インチ（２．５４ｃｍ）〜約４フィート（１．２２メートル）である。上記の議論は単独の単段階プロセスチャネル２０の使用について述べているが、本発明のプロセスを用いて複数のプロセスチャネルを並行して運転させてもよいことが理解される。例えば、同時に並行して運転する数十、数百、数千、数万、数十万、若しくは数百万の単段階プロセスチャネル２０を本発明のプロセスに採用してもよい。

反応物１０はＣＯ及びＨ₂Ｏを含むいかなる流体混合物でもよい。流体混合物は気体、液体、又はそれらの混合物でもよい。反応物１０は、水蒸気改質、部分酸化、自熱改質等のプロセスが行われる一次変換反応装置からの排気を含んでもよい。反応物１０は最高約５０モル％のＣＯ及び最高約９９．９モル％のＨ₂Ｏを含んでもよい。一実施形態においては、反応物１０は約１〜約４０モル％のＣＯを含み、一実施形態においては約２〜約３０モル％のＣＯと、約１〜約９０モル％のＨ₂Ｏを含み、一実施形態においては約１〜８０モル％のＨ₂Ｏを含む。反応物１０にはまた、ＣＯ₂、Ｈ₂及び／又は、Ｎ2等の不活性ガスのすべて又はいずれか等の材料を含んでもよい。一実施形態においては、反応物１０は約１〜約２０モル％のＣＯを含み、一実施形態においては約３〜約１５モル％のＣＯ、約１〜約７０モル％のＨ₂Ｏを含み、一実施形態においては約３〜６０モル％のＨ₂Ｏ、約１〜約２０モル％のＣＯ₂を含み、一実施形態においては約３〜１５モル％のＣＯ₂、約１〜約７５モル％のＨ₂を含み、一実施形態においては約１０〜６０モル％のＨ₂を含む。一実施形態においては、ＣＯに対するＨ₂Ｏのモル比は少なくとも約１：１であり、一実施形態においては約１：１〜約１０：１であり、一実施形態においては約１：１〜約５：１であり、一実施形態においては約１：１〜約２：１である。

触媒３０は当分野で知られている水性ガスシフト反応触媒のいずれでもよい。触媒は、貴金属、遷移金属、その組み合せを含む触媒金属；アルカリ金属、アルカリ土類金属、ホウ素、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、テルル、タリウム、鉛、ビスマス、ポロニウム、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ニッケル、コバルト、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、スズ、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ランタン系列元素の酸化物及びその組み合わせを含む金属酸化物；複合材；ゼオライト；窒化物；カーバイド；硫化物；ハロゲン化物；リン酸塩；及びこのいずれかの組み合わせの１つ以上を含んでもよい。

一実施形態においては、触媒はジルコニア担持アルカリ金属変性ルテニウム触媒である。

一実施形態においては、触媒には酸化第二銅、酸化亜鉛、酸化アルミニウムが含まれる。この触媒は還元されてもよい。

一実施形態においては、触媒にはＰｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｅ、又は前記のいずれかの酸化物が含まれる。

一実施形態においては、触媒には遷移金属カーバイド、窒化物又はホウ化物、若しくは前記のいずれかの酸素含有類似体が含まれる。

一実施形態においては、触媒には還元性の金属酸化物を含浸した支持体が含まれる。還元性金属酸化物には、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｅの酸化物、若しくはこのうち２種以上の混合物が含まれてもよい。

一実施形態においては、触媒にはアルミニウム、シリカ、チタニア又はジルコニアから選択される支持体が含まれる。

触媒３０は、単段階プロセスチャネル２０の内部に適合するいかなるサイズ及び幾何学的構造であってもよい。触媒は粒状の固体の形状であってもよい（例：ペレット、粉末等）。粒子径中央値は約６０〜約１０００μｍであってもよく、一実施形態においては粒子径中央値は約３００〜６００μｍである。触媒３０は発泡体、フェルト、ワッド又はこの組み合わせ等の多孔性構造を含んでもよい。用語「発泡体」は、ここで、構造全体に細孔の境界を限定する連続壁を有する構造を指すため使用する。用語「フェルト」は、ここで、互いの間隙に空間を有する繊維の構造を指すため使用する。用語「ワッド」は、ここで、スチールウールのように、からみ合ったストランドの構造を指すため使用する。触媒３０はハニカム構造であってもよく、挿脱式のフィン構造を有していてもよい。フィンは直線状のチャネルを有したり、又はオフセットストリップフィンの形状をとったりすることができる。１インチあたりのフィンの数は約４〜約９０の範囲であればよい。フィンの厚さは約０．００１〜約０．１インチであればよい。触媒は発泡体、ワッド、ペレット又は粉末、若しくは網等のフロースルー構造の形状であってもよい。触媒は、隣接する空隙を有するフェルト、隣接する空隙を有する発泡体、空隙を有するフィン構造、何らかの挿入された基材上のウォッシュコート、流れの方向に対して平行で流れのため対応する空隙を有する網等のフローバイ構造の形状であってもよい。触媒は、プロセスチャネルの内壁表面に直接ウォッシュコートしてもよい。触媒は多孔質連続体材料の単独片であったり、物理的接触状態にある複数の片であったりしてもよい。一実施形態においては、触媒には連続体材料が含まれ、触媒内部を分子が拡散できるよう連続的な多孔性を有する。この実施形態においては、気体反応物１０及び気体生成物４０が触媒（単独又は複数の片）の周囲ではなく内部を実質的に流れ、気体反応物１０は触媒３０内部の通過中いかなる場所でも反応することができる。一実施形態においては、触媒の断面積はプロセスマイクロチャネル２０の断面積の少なくとも約８０％を占有し、また一実施形態においては、少なくとも約９５％を占有する。触媒は、ＢＥＴ法により測定したとき、約０．５ｍ²／ｇを超える表面積を有してもよく、一実施形態においては、約２．０ｍ²／ｇを超える。

触媒３０は多孔性支持体、多孔性支持体上に溶液沈着させた界面層、界面層上の触媒材料を含んでもよい。一実施形態においては、触媒３０は多孔性支持体、緩衝層、界面層、触媒材料を有する。前述の層のいずれも、斑点又は小点の形状として連続的若しくは非連続的であってもよく、或いは空隙又は穴を有する層の形状であってもよい。

触媒３０は、水銀圧入法（mercury porosimetry ）により測定したときの空隙率が少なくとも５％、かつ平均細孔径（細孔径の合計を細孔数で割った値）約１〜約１０００μｍである多孔性基材上に担持されていてもよい。多孔性支持体は多孔性セラミック又は金属発泡体とすることが可能である。使用可能な多孔性支持体として他にカーバイド、窒化物及び複合材料が挙げられる。多孔性支持体の空隙率は約３０％〜約９９％としてもよく、一実施形態においては約６０％〜約９８％である。多孔性支持体は発泡体、フェルト、ワッド又はこの組み合わせであってもよい。金属発泡体の連続気泡は１インチあたり細孔数（ｐｐｉ）約２０〜約３０００ｐｐｉの範囲としてもよく、一実施形態においては約２０〜約１０００ｐｐｉであり、一実施形態においては約４０〜約１２０ｐｐｉである。用語「ｐｐｉ」は、１インチあたり最大の細孔数を表す（等方性材料においては測定方向は重要でないが、異方性材料においては、細孔数を最大にする方向で測定を実施する）。

緩衝層は、それが存在するとき、支持体とも界面層とも異なる組成及び／又は密度を有し、一実施形態においては、多孔性支持体と界面層の熱膨張係数の中間的な熱膨張係数を有する。緩衝層は金属酸化物又は金属カーバイドとすることができる。緩衝層はＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂又はその組み合わせを含むことができる。Ａｌ₂Ｏ₃はα−Ａｌ₂Ｏ₃、γ−Ａｌ₂Ｏ₃又はその組み合わせとすることができる。α−Ａｌ₂Ｏ₃は酸素拡散に対して優れた抵抗性という利点を示す。緩衝層は、組成の異なる２つ以上の亜層により形成することができる。例えば、多孔性支持体がステンレス鋼発泡体といった金属である場合、組成の異なる２つの亜層からなる緩衝層を使用することができる。第１の亜層（多孔性支持体と接触する）としてＴｉＯ₂が可能である。第２の亜層は、ＴｉＯ₂表面に位置するα−Ａｌ₂Ｏ₃とすることができる。一実施形態においては、α−Ａｌ₂Ｏ₃亜層は下層の金属表面を保護する密な層である。次いでアルミナ等、より密度の低い、表面積の大きい界面層を、触媒活性を有する層の支持体として沈着させることができる。

多孔性支持体は、界面層と異なる熱膨張係数を有することができる。その場合、２つの熱膨張係数間の移行のため、緩衝層が必要な場合がある。緩衝層の熱膨張係数は、多孔性支持体及び界面層の膨張係数と適合し得る膨張係数を得るため、その組成を制御することによって調整することができる。緩衝層は、基層の支持体に優れた保護を提供するため、開口部及びピンホールがないものとすべきである。緩衝層は無孔であってもよい。緩衝層は、多孔性支持体の平均細孔径の２分の１未満の厚さとしてもよい。緩衝層の厚さは約０．０５〜約１０μｍとしてもよく、一実施形態においては約０．０５〜約５μｍである。

本発明の一実施形態においては、緩衝層なしでも十分な接着及び化学的安定性を得ることができる。この実施形態においては、緩衝層を省略することができる。

界面層は窒化物、カーバイド、硫化物、ハロゲン化物、金属酸化物、炭素又はその組み合わせから形成することができる。界面層により、高い表面積及び／又は担持される触媒に所望の触媒−支持体相互作用が提供される、若しくはこの両者である。界面層は、触媒支持体おして慣用的に使用されるあらゆる材料から形成することができる。界面層は、金属酸化物から形成することもできる。使用可能な金属酸化物の例としてγ−Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、酸化タングステン、酸化マグネシウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化スズ、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、ランタン系列金属の酸化物、ゼオライト（類）及びその組み合わせが挙げられる。界面層は、更なる触媒活性材料をその表面に沈着させることなく、触媒活性層としての機能を果たすことができる。しかし通常は、界面層は触媒活性層と組み合わせて使用される。界面層も、組成の異なる２以上の亜層により形成することができる。界面層は、多孔性支持体の平均細孔径の２分の１未満の厚さとしてもよい。界面層の厚さは約０．５〜約１００μｍの範囲でもよく、一実施形態においては約１〜約５０μｍである。界面層は結晶性又は非晶質のいずれでも可能である。界面層のＢＥＴ表面積は、少なくとも１ｍ²／ｇとすることができる。

触媒活性材料は、上に論じた触媒材料（例：金属、酸化物、複合材等）のいずれでもよい。触媒活性材料は界面層上に沈着させてもよい。又は、触媒活性材料を界面層上とともに、同時に沈着させてもよい。触媒活性層は界面層表面に密接に沈着させてもよい。触媒活性層が界面層表面に「配置される」、又は「沈着する」ということには、顕微鏡的触媒活性粒子が支持体層（すなわち界面層）表面の上、支持体層の隙間の中、及び支持体層の開いた細孔の中に分散しているという慣用的な認識が含まれる。

単段階プロセスチャネル２０内部での反応物１０及び／又は生成物４０と触媒３０との接触時間は約１０〜約１０００ミリ秒の範囲とすることができ、一実施形態においては約１５〜約５００ミリ秒、一実施形態においては約５０〜約２５０ｍ秒、一実施形態においては約５０〜約１５０ミリ秒である。

単段階プロセスチャネル２０に入る反応物１０の温度は約２００℃〜約５００℃の範囲とすることができ、一実施形態においては約２００℃〜約３００℃である。

単段階プロセスチャネル２０に入る反応物１０は、圧約５００ｐｓｉｇまでとすることができ、一実施形態においては約２０インチ水柱〜約４００ｐｓｉｇである。

単段階プロセスチャネル２０内部の高温反応域の温度は約２００℃〜約５００℃の範囲とすることができ、一実施形態においては約２５０℃〜約３５０℃である。単段階プロセスチャネル２０内部の低温反応域の温度は約１５０℃〜約３００℃の範囲とすることができ、一実施形態においては約２００℃〜約２５０℃である。高温反応域内部の温度は、低温反応域の温度より少なくとも約２０℃高くすることができる。単段階プロセスチャネル２０内部の高温反応域の長さは、単段階プロセスチャネル２０の全長の約５〜約５０％とすることができ、一実施形態においては約１０〜約２０％である。単段階プロセスチャネル２０内部の低温反応域の長さは、プロセスチャネルの全長の約５０〜約９５％とすることができ、一実施形態においては約８０〜約９０％である。高温反応域内の反応条件から低温反応域内の反応条件への変化は、漸進的とすることができる。

反応物１０及び／又は生成物４０が単段階プロセスチャネル２０内を流れるときの圧力低下は、プロセスチャネルの長さ１フィート当たり約６０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ／ｆｔ）までの範囲とすることができ、一実施形態においてはプロセスチャネル長さ１フィート当たり約２インチ水柱（インチ水／ｆｔ）〜約４０ｐｓｉ／ｆｔであり、一実施形態においては約２インチ水／ｆｔ〜約２０ｐｓｉ／ｆｔ、一実施形態においては約２インチ水／ｆｔ〜約１０ｐｓｉ／ｆｔ、一実施形態においては約２インチ水／ｆｔ〜約５ｐｓｉ／ｆｔ、一実施形態においては約２インチ水／ｆｔ〜約２ｐｓｉ／ｆｔ、一実施形態においては約２インチ水／ｆｔ〜約１ｐｓｉ／ｆｔ、一実施形態においては約２インチ水／ｆｔ〜約１０インチ水／ｆｔである。

生成物４０は最高約５０モル％のＣＯ₂Ｏ₂及び最高約９９．９モル％のＨ₂を含んでもよい。生成物４０は約０．１〜約５０モル％のＣＯ₂を含むことがあり、一実施形態においては乾燥気体ベースとして約５〜約３０モル％のＣＯ₂を含む。生成物４０は約０．１〜約９０モル％のＨ₂を含むことがあり、一実施形態においては乾燥気体ベースとして約５０〜約７５モル％のＨ₂を含む。生成物４０にはまた、ＣＯ、Ｈ₂Ｏ、ＣＨ₄及び／又はＮ2等の不活性ガスのすべて又はいずれか等の材料を含んでもよい。一実施形態においては、生成物４０は約０．１〜約３０モル％のＣＯ₂を含み、一実施形態においては約５〜約１５モル％のＣＯ₂、約０．１〜約９０モル％のＨ₂を含み、一実施形態においては約５０〜７５モル％のＨ₂、約０．０１〜約５モル％のＣＯを含み、一実施形態においては約０．０５〜１モル％のＣＯを含み、一実施形態においては約０．０５〜約０．２モル％のＣＯ、約４０〜約９９モル％のＨ₂Ｏを含み、一実施形態においては約５０〜７０モル％のＨ₂Ｏ、最大約１０モル％のＣＨ₄を含み、一実施形態においては約０．５〜約２．５モル％のＣＨ₄を含む。

冷却剤流体５０はいかなる流体であってもよい。これには空気、蒸気、液体状態の水、気体窒素、液体窒素、鉱油等の油の他、ダウ−ユニオンカーバイド（Ｄｏｗ−Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）から販売のダウサームエー（Ｄｏｗｔｈｅｒｍ Ａ）及びサーミノール（Ｔｈｅｒｍｉｎｏｌ）等の熱交換流体が含まれる。

冷却剤チャネルに入る冷却剤流体５０の温度は約−２００℃〜約４００℃の範囲とすることができ、一実施形態においては約−５０℃〜約３００℃であり、一実施形態においては約０℃〜２００℃である。冷却剤チャネルから出る冷却剤流体５０の温度は約１０℃〜約３００℃の範囲とすることができ、一実施形態においては約４０℃〜約２３０℃である。冷却媒体５０の冷却剤チャネル内滞留時間は約１〜約２０００ミリ秒（ｍｓ）の範囲とすることができ、一実施形態においては約２〜約１０００ｍｓ、一実施形態においては約２〜約５００ｍｓ、一実施形態においては約２〜約１００ｍｓ、一実施形態においては約２〜約７０ｍｓ、一実施形態においては約５〜約２０ｍｓである。冷却剤流体５０が冷却剤チャネルを流れるときの圧力低下は、冷却剤チャネル１フィート当たり約０．１インチ水柱（インチ水／ｆｔ）から冷却剤チャネル１フィート当たり約６０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ／ｆｔ）の範囲とすることができ、一実施形態においては約０．２インチ水／ｆｔ〜約１０ｐｓｉ／ｆｔ、一実施形態においては約０．３インチ水／ｆｔ〜約１ｐｓｉ／ｆｔである。冷却剤チャネルはマイクロチャネルであってもよい。

一実施形態においては、並行して作動する複数の単段階プロセスチャネル２０を収容した反応器内で、反応器内の単段階プロセスチャネル２０の合計内部容積最高約１リットルとしてプロセスが行われ、一実施形態においては最大約０．５リットル、一実施形態においては最大約０．１リットルとされ、当該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約１０ＳＬＰＭの速度で水素が生成され、一実施形態においては反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約５０ＳＬＰＭ、一実施形態においては反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットルあたり少なくとも約１００ＳＬＰＭで水素が生成される。

一実施形態においては、並行して作動する複数の単段階プロセスチャネル２０を収容した反応器内で、反応物１０及び／又は生成物４０と触媒３０との接触時間約２５０ミリ秒（ｍｓ）以下としてプロセスが行われ、一実施形態においては約１５０ｍｓ以下、一実施形態においては約１００ｍｓ以下とされ、当該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約１０ＳＬＰＭの速度で水素が生成され、一実施形態においては反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約５０ＳＬＰＭ、一実施形態においては反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約１００ＳＬＰＭで水素が生成される。

一実施形態においては、並行して作動する複数の冷却剤チャネルを収容した反応器内で、冷却剤チャネル内を流れる冷却剤の全圧低下２ｐｓｉ以下としてプロセスが行われ、一実施形態においては約１ｐｓｉ以下、一実施形態においては約１０インチ水柱以下とされ、当該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約１０ＳＬＰＭの速度で水素が生成され、一実施形態においては反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約５０ＳＬＰＭ、一実施形態においては反応器内の単段階プロセスチャネルの容積１リットル当たり少なくとも約１００ＳＬＰＭで水素が生成される。

一実施形態において本発明のプロセスを実施する発明の装置を図３に示す。図３を参照すると、本発明の装置は、互いに平行に伸び、列１２２として配置された単段階プロセスマイクロチャネルのアレイ１２０を収容した反応器１００により構成される。列１２２は、段々に重ねた各平板上に置かれている。反応器１００には、互いに平行に伸び、列１５２として配置された熱交換チャネルのアレイ１５０も収容している。熱交換チャネル１５０の列１５２は、段々に重ねた各平板上に置かれる。熱交換チャネル１５０は単段階プロセスマイクロチャネル１２０に対して横断方向に伸び、熱的接触状態にある。熱交換チャネル１５０の列１５２、及び単段階プロセスマイクロチャネル１２０の列１２２は、段々に重ねられた平板上に交互に置かれる。単段階プロセスマイクロチャネル１２０及び／又は熱交換チャネル１５０はマイクロチャネルであってもよい。

反応器１００には、単段階プロセスチャネル１２０の列１２２が９列収容され、各列１２２には単段階プロセスチャネル１２０が６本含まれ、合計で単段階プロセスチャネルは５４本となる。しかし、反応器１００にはいかなる数の単段階プロセスマイクロチャネル１２０が収容されてもよく、例えば数百、数千、数百万の単段階プロセスマイクロチャネル１２０が含まれてもよいと理解されるべきである。同様に、反応器１００には、熱交換チャネル１５０の列１５２が１０列収容される。各列１５２には１１本の熱交換チャネル１５０が含まれる。しかし、図示した反応器には合計１１０本の熱交換チャネルが収容されるが、追加の熱交換チャネル１５０、例えば数千又は数百万の熱交換チャネル１５０を本発明の反応器に採用することができると理解されるべきである。

単段階プロセスマイクロチャネル１２０の横断面の形状は正方形又は長方形である。各単段階プロセスマイクロチャネル１２０の内寸法は、高さ又は幅のいずれにせよ、約１０ｍｍまでとしてもよく、一実施形態においては約０．０２５〜約１０ｍｍであり、一実施形態においては約２〜約８ｍｍである。各単段階プロセスチャネル１２０の長さは約０．０５インチ（１．２７ｍｍ）〜約２０フィート（６．１メートル）としてもよく、一実施形態においては、約１インチ（２．５４ｃｍ）〜約４フィート（１．２２メートル）である。

各熱交換チャネル１５０の横断面の形状は正方形又は長方形であり、幅若しくは高さは約０．０２５〜約１０ミリメートルであり、一実施形態においては約１〜約５ミリメートルである。各熱交換チャネル１５０の長さは約０．０５インチ（１．２７ｍｍ）〜約２０フィート（６．１メートル）としてもよく、一実施形態においては、約１インチ（２．５４ｃｍ）〜約４フィート（１．２２メートル）である。熱交換チャネル１５０の各列１５２と次の隣接する単段階プロセスマイクロチャネル１２０の列１２２との間隔は約０．１〜約１０ｍｍの範囲でありとしてもよく、一実施形態においては約０．１〜約５ｍｍ、一実施形態においては約０．１〜約２ｍｍである。

本発明のプロセスの運転中、気体反応物１０及び気体生成物４０は、単段階プロセスチャネル１２０の中を矢印１２４により示す方向に流れる。触媒はプロセスマイクロチャネル内に収容される。熱交換流体５０は、熱交換チャネル１５０の中を矢印１５４により示す方向に流れる。

反応器１００は、本発明のプロセスを実施するのに十分な強度及び寸法安定性を有するあらゆる材料を用いて構成することができる。適した材料の例として、鋼（例：ステンレス鋼、炭素鋼等）、アルミニウム、チタン、ニッケル、前記金属のいずれかの合金、プラスチック（例：エポキシ樹脂、紫外線硬化樹脂、熱硬化性樹脂等）、セラミックス、ガラス、複合材、石英、ケイ素又はこの２種類以上の組み合わせが挙げられる。反応器１００は、ワイヤ放電加工、慣用の機械加工、レーザー切断、光化学加工、電気化学加工、成型、ウォータージェット、打抜き加工、エッチング（例：化学的、光化学的、プラズマエッチング）、及びこれらの組み合わせを含む既知の技術を用いて製作することができる。反応器は、層又はシートから形作りをし、一部構造を除去して流れの通過を可能とするように構成してもよい。積み重ねたシートを拡散接合、レーザー溶接、拡散ろう付けの他、同様の方法で組み立て、一体型のデバイスを形成することができる。反応器１００は、反応物１０の投入、生成物４０の取り出し、及び熱交換流体５０の流れを制御するための適切な開口部、弁等を有する。これは図面には示されていないが、当業者ならば、容易に装備することができる。

図４に示す反応器２００は、単段階プロセスチャネル２２０の列２２２が２列あり、各列２２２につき３本のチャネル２２０が含まれる以外は、図３に示す反応器１００と同じ設計及び構造である。同様に、反応器２００には、熱交換チャネル２５０の列２５２が３列あり、各列２５２につき１２本の熱交換チャネル２５０が含まれる。本発明のプロセスの運転中、反応物１０及び生成物４０は、単段階プロセスチャネル２２０の中を矢印２２４で示す方向に流れる。熱交換流体５０は、熱交換チャネル２５０の中を矢印２５４で示す方向に流れる。

（実施例１）
図３に示す構造及び触媒体積１５０ｍｌを有する反応器を５つの個別の部分、即ち、反応器中心部１６０、プロセスヘッダー１６２、プロセスフッター（図面中に示していない）、冷却剤ヘッダー１６４、冷却剤フッター（図面中に示していない）から製作する。各部品はＳＳ３１６ステンレス鋼から製作する。プロセスヘッダー１６２及びプロセスフッターは同一の設計及び構造であり、冷却剤ヘッダー１６４及び冷却剤フッターは同一の設計及び構造である。プロセス及び冷却剤ヘッダー／フッターは寸法が異なる。各々はエンドミルを用いて中実ブロックにポケットを切削加工することにより成形する。この反応器においては、熱交換チャネル１５０は冷却剤チャネルであり、プロセスチャネル１２０及び冷却剤チャネル１５０はマイクロチャネルである。

反応器中心部１６０は、寸法３．００×３．３６×４．００インチ（７．６２×８．５３×１０．１６ｃｍ）のＳＳ３１６ステンレス鋼の中実ブロックをワイヤ放電加工することにより製作する。反応器中心部１６０には、図３に示すように、単段階プロセスチャネル１２０及び冷却剤チャネル１５０が互いに交差方向に伸びるように交互の平板上に置かれて収容されている。寸法３．００×３．３６インチ（７．６２×８．５３ｃｍ）のプロセス面１６６上に、単段階プロセスチャネル１２０の平行な列１２２が９列配置される。プロセスチャネル１２０の各列１２２に向かう開口部１６８は、２．６２６×０．２００インチ（６．６７０×０．５０８ｃｍ）である。プロセスチャネル１２０の各列１２２には６本の平行なプロセスチャネル１２０が含まれ、各チャネルは幅０．２８２インチ（０．７１６ｃｍ）、長さ３．００インチ（７．６２ｃｍ）、高さ又は空隙０．２００インチ（０．５０８ｃｍ）である。各プロセスチャネル１２０は、幅０．０６０インチ（０．１５２ｃｍ）のリブ１７０により互いに隔てられる。プロセスチャネル１２０の各列１２２は、深さ０．５００インチ（１．２７ｃｍ）、幅２．６２６インチ（６．６７０ｃｍ）の０．２００インチ（０．５０８ｃｍ）の間隙を有する溝１７２を有している。反応器１００の活性総体積（触媒を収容している体積）は１５０ｍｌである。反応器１００の冷却剤面１７４には、冷却剤チャネル１５０の列１５２が１０列配置されている。冷却チャネル１５０の各列１５２は、１１本の冷却剤チャネルを有している。各冷却剤チャネル１５０は、幅０．２５２インチ（０．６４０ｃｍ）、長さ３．００インチ（７．６２ｃｍ）であり、０．０２０インチ（０．０５１ｃｍ）の空隙又は高さを有している。０．０２０インチ（０．０５１ｃｍ）幅のリブ１７６により、各冷却剤チャネル１５０は互いに隔てられている。

反応器１００を組み立てる最初の工程は、冷却剤ヘッダー１６４、冷却剤フッター及び関連する連結チューブ類を反応器中心部１６０に溶接することである。この後、一方のプロセス面のプロセスチャネル１２０の列１２２にある溝１７２に石英ウールを挿入する。単段階プロセスチャネル１２０に触媒を充填し、残る溝１７２に石英ウールを挿入する。プロセス面１６６のそれぞれにメタルクロスを仮付け溶接し、この上に＃６メッシュのＳＳ３０４ステンレス鋼スクリーンを仮付け溶接する。次いでプロセスヘッダー１６２、プロセスフッター及び関連する連結チューブ類を所定の位置に溶接する。

プロセス及び冷却剤ヘッダー並びにフッターを反応器１００に固定してＵ字型のマニホールドを作成し、配管系統を取り付ける。プロセスチャネル１２０は垂直に配向させ、冷却剤チャネル１５０は水平に配向させる。気体反応物１０は、プロセスチャネル１２０の中を重力に逆らい上向きに流れる。

触媒は、ズードケミー（Ｓｕｅｄ−Ｃｈｅｍｉｅ）から入手される市販の低温シフト（ＬＴＳ）触媒である。この触媒の組成は、ＺｎＯを４０〜５５重量％、ＣｕＯを３５〜５０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を５〜１５重量％及びグラファイト６重量％未満である。触媒は、製造業者からは大型の円柱状ペレットの形状として供給されるが、機械的グラインダーで粉砕し、篩過したものを使用する。４０番ふるいを通過し、３５番ふるい上に保持された粒子が選択される。粉砕済み触媒の粒子径中央値は、５１１．４μｍである（体積百分率として）。粒径範囲２００〜６６０μｍに粒子の９７％が含まれ、残る３％は１０〜３０μｍである。

触媒は使用前に還元される。還元は、触媒を反応容器に入れ、触媒全体に１３２℃の窒素ガスを５ＳＬＰＭで通気することによって、大気圧下で遂行される。定常状態に達したとき、窒素ガスの流量を４．９５ＳＬＰＭに減量し、０℃及び１気圧において５０標準立方センチメートル（ＳＣＣＭ）の水素ガスを注入ストリームとして容器内に導入する。次いで注入ストリームの温度を徐々に上昇させ（０．２℃／分未満）、１６５℃とする。昇温が完了したとき、排出流の水素含量が０．２モル％を超えることが確認されるまで、排気口のガス試料を採取して分析する。触媒は、１６５℃の反応容器内に１時間放置される。その後、窒素の流量を４．９０ＳＬＰＭに減量し、水素流量は１００ＳＣＣＭに増量する。流量変更の後、排出流の水素含量が１．５モル％を超えることが確認されるまで、排気口のガス試料を再び採取する。この値に達するのは流入量の変更から約２．５時間後である。次いで注入ガスの温度を速度０．２５℃／分で２１５℃まで上昇させる。この温度に達したら、水素濃度２．０％に近づくことが確認されるまで、排出気体の試料が採取される。排出流の水素濃度が１．９モル％に達したとき、窒素の流量を４．７５ＳＬＰＭに減量し、水素流量は２５０ＳＣＣＭに増量する。流出濃度が４．３モル％で安定するまで、排出ガスの試料を定期的に採取する。安定した時点で水素の流量が停止され、還元が完了する。

反応物１０は、３２．２モル％のＨ₂Ｏ、５１モル％のＨ₂、１０．８モル％のＣＯ及び６モル％のＣＯ₂を含む模擬的な改質装置流出ストリームである。反応器は接触時間８５〜２５０ミリ秒（ｍｓ）の範囲で運転される。反応物１０の注入圧力は１４２ｐｓｉｇである。反応物１０の注入温度は２１５℃〜２５０℃の間で変化し、注入冷却剤温度は１９５℃〜２５０℃の間で変動する。反応器１００の運転は、注入反応物温度２１５℃、接触時間２５０ｍｓで開始する。反応物１０の注入温度を、２５０℃まで５℃ずつ上昇させる。各昇温段階で反応器１００を定常状態となし、次の段階に移行する前にＣＯ転化率を評価する。注入温度２５０℃に達したとき、接触時間を１００ｍｓまで変動分５０ｍｓで変更させる。冷却媒体５０は空気である。冷却空気の流量は１５０ＳＬＰＭに設定し、各プロセス温度において、気体反応物１０の注入温度と冷却媒体５０の注入温度との差が最小となるように注入冷却剤温度を調節する。反応器１００はまた、気体温度を測定する６個の熱電対の平均値として計算される平均又はクロス温度に基づいて運転される。熱電対の配置は冷却剤ヘッダー１６４及びフッターの頂部にそれぞれ１個、底部に１個（合計４個の熱電対）、プロセスヘッダー１６２及びフッターに１個である。

ＣＯ転化率は、気体反応物１０及び気体生成物４０の平均又はクロス温度の調節により制御される。反応器は、５９時間２５分連続運転される。反応器の運転目標は、注入温度２５０℃、接触時間１００ｍｓで平衡転化率の９５％のＣＯ（９０．６％）を得ることである。反応器は、注入温度２３０℃、接触時間１００ｍｓでＣＯ転化率９７．５％に達し、運転目標を上回る。全条件下でＣＯ₂選択性は１００％である。

反応物１０を接触時間２５０ｍｓ及び注入プロセスガス温度２３１℃で反応器１００に導入し、約２時間にわたり複数の試料を採取する。ＣＯ転化率は９７．１％である。使用した注入温度におけるこの気体のＣＯの平衡転化率は９６．７％である。実験誤差範囲内で反応器は平衡転化率を達成する。接触時間２００ｍｓにおいてＣＯの転化率は９６．６％であり、平衡値よりわずかに低い。接触時間を１００ｍｓに短縮したときＣＯ転化率は９１．５％である。接触時間をさらに短縮して８５ｍｓとしたとき、ＣＯ転化率は９０．４％である。

接触時間１００、２００及び２５０ｍｓについて、温度に対するＣＯ転化率が図５に示されている。このプロットから、クロス温度に依存しており且つクロス温度に対するＣＯ転化率のプロットが平衡転化のプロットと交差する点により仕切られる２つの温度領域を用いて、反応器１００を運転することが可能であることが判る。第１の、即ち高温の反応域において反応器は速度論制御下にあり、接触時間を延長するとその温度でのＣＯ転化率が上昇する。この反応域においては、特定の接触時間では、温度を上昇させると反応速度が上昇し、したがってＣＯ転化率が上昇する。第２の、つまり低温の反応域においては温度の上昇に伴ってＣＯ転化率は低下する。この反応域においては、温度上昇による転換速度の上昇は、平衡転化率の低下により相殺される。

この結果から、能動的冷却を用いて非等温的に運転することにより、二段階水性ガスシフト反応器システムの性能が単段階チャネルデバイスで実現されることが判る。この反応は、発熱性の水性ガスシフト反応をプロセスチャネル１２０で行い且つ冷却剤チャネル１５０内に冷却剤を流すとき、冷却剤流体５０の流れに対する反応物１０／生成物４０の交差流によって、プロセスチャネル１２０の注入口付近に反応速度が最大で転化反応の大半が起こる高温帯が生じ、しかも同時にプロセスチャネル１２０の出口付近に反応速度は低いが平衡転換率が高い低温帯が生じていることに起因している。

（実施例２）
反応物１０の注入圧力を９．３〜１３．７ｐｓｉｇ、反応物１０の組成を７．２モル％のＣＯ、３４．７モル％のＨ₂Ｏ、４８．５モル％のＨ₂、８．３モル％のＣＯ₂、１．３モル％のＣＨ₄とする点を除き、実施例１に記載のプロセスを繰り返す。反応物１０の注入温度は２０３〜２５１℃の範囲で変化させる。接触時間は２００〜２５０ｍｓの範囲で変化させる。ＣＯの最大転化率は、注入温度２５１℃、注入圧力１０．７ｐｓｉｇ、接触時間２３９ｍｓで得られ、その値は９１．１％である。

（実施例３）
反応物１０の注入温度を２４８℃、反応物１０の注入圧力を１３．３ｐｓｉｇ、接触時間を２００ｍｓとする点を除き、実施例１に記載のプロセスを繰り返す。反応物１０の組成は７．１モル％のＣＯ、３３．５モル％のＨ₂Ｏ、５０．３％のＨ₂、７．８モル％のＣＯ₂及び１．２モル％のＣＨ₄である。ＣＯ転化率は８７．８％である。

（実施例４）
図４に示す構造及び触媒体積２０．１ｍｌを有する反応器２００は、５つの個別の部分、即ち反応器中心部２６０、プロセスヘッダー２６２、プロセスフッター（図面中に示していない）、冷却剤ヘッダー２６４、冷却剤フッター（図面中に示していない）として製作される。各部はＳＳ３１６ステンレス鋼から製作される。プロセスヘッダー２６２及びフッターは、同じ設計及び構造であり、冷却剤ヘッダー２６４及びフッターも同様である。プロセス及び冷却剤ヘッダー／フッターは、寸法が異なる。これらはエンドミルを用いて中実ブロックにポケットを切削加工することにより成形される。この反応器においては、熱交換チャネル２５０は冷却剤チャネルであり、単段階プロセスチャネル２２０及び冷却剤チャネル２５０はマイクロチャネルである。

反応器中心部２６０は、寸法１．９７×１．５４×４．２７４インチ（５．００×３．９１×１０．８５６ｃｍ）のＳＳ３１６ステンレス鋼の中実ブロックをワイヤ放電加工することにより製造される。反応器中心部２６０には、図４に示すように、交互の平板上に互いに横断方向に伸びる単段階プロセスチャネル２２０及び冷却剤チャネル２５０が収容されている。反応器２００のプロセス面２６６には平行な単段階プロセスチャネル２２０の列２２２が２列配置されている。プロセス面２６６の寸法は１．９７×１．５４インチ（５．００×３．９１ｃｍ）である。単段階プロセスチャネル２２０は１．０３２×０．５８５インチ（２．６２１×１．４８６ｃｍ）の共通の開口部２６８を共有する。プロセスチャネル２２０の各列２２２には３本の平行なプロセスチャネル２２０が含まれ、各チャネルは幅０．２８２インチ（０．７１６ｃｍ）、長さ３．６２インチ（９．１９ｃｍ）、空隙又は高さ０．２００インチ（０．５０８ｃｍ）である。各プロセスチャネル２２０は幅０．０６０インチ（０．１５２ｃｍ）のリブ２７０により隣接チャネルから隔てられている。反応器２００の活性総体積（触媒を収容した体積）は２０．１ｍｌである。

反応器２００には、その冷却剤面２７４に配置された冷却剤チャネル２５０の列２５２が３列収容されている。冷却剤チャネル２５０の各列２５２には１２本の平行な冷却剤チャネル２５０が含まれ、このチャネルは幅０．２５５インチ（０．６４８ｃｍ）、長さ１．９７インチ（５．００ｃｍ）、空隙又は高さ０．２００インチ（０．０５１ｃｍ）である。各冷却剤チャネル２５０は、各列２５２の最初及び最後の冷却剤チャネル２５０を除き、幅０．０２０インチ（０．０５１ｃｍ）のリブ２７６により隣接チャネルから隔てられている。例外とされた最初と最後のチャネルは、０．０８０インチ（０．２０３ｃｍ）のリブ２７８により互いに隔てられる。厚みを増したリブ２７８の目的は、プロセスマイクロチャネル２２０内に０．０３３インチ（０．０８３ｃｍ）の熱電対のポートを設けるためである。

反応器２００デバイスを組み立てる最初の段階は、冷却剤ヘッダー２６４、フッター及び関連する連結チューブ類を反応器中心部２６０に溶接することである。プロセスチャネル２２０の出口部のポケットには、ＳＳ３１６ステンレス鋼発泡体の一片が挿入される。この発泡体は、厚さ０．２５インチ（０．６４ｃｍ）であり、１インチあたりの細孔数１００（ｐｐｉ）、寸法は１．０６５×０．５５５インチ（２．７０５×１．４０８ｃｍ）である。ステンレス鋼発泡体を所定の位置に保持するため、＃６メッシュのＳＳ３０４ステンレス鋼製グリッドの１．２２７×０．７１７インチ（３．１１７×１．８２１ｃｍ）の一片を仮付け溶接する。次いで単段階プロセスチャネル２２０に触媒３０を充填し、もう一つのステンレス鋼発泡体片を挿入し、＃６メッシュのＳＳ３０４ステンレス鋼製スクリーンを仮付け溶接する。次にプロセスヘッダー２６２、フッター及び関連する連結チューブ類を所定の位置に溶接する。プロセス及び冷却剤ヘッダー並びにフッターをデバイスに固定してＵ字型のマニホールドを形成し、プロセスチャネル２２０が垂直に伸び、冷却剤チャネル２５０が水平に伸びるよう配管系統を取り付ける。気体反応物１０は、単段階プロセスチャネル２２０の中を重力に従い下向きに流れる。

反応器２００で使用する触媒は実施例１に使用するものと同じ触媒である。反応器２００は接触時間１００ｍｓで運転される。反応物１０の組成は９．６モル％のＣＯ、３１．９モル％のＨ₂Ｏ、５１．０モル％のＨ₂、５．５モル％のＣＯ₂及び１．９モル％のＣＨ₄である。気体反応物１０の注入圧力は１７５ｐｓｉｇである。気体反応物１０の注入温度は２２７〜２６９℃の範囲で変化させる。冷却媒体は空気である。冷却剤である空気の注入温度（２０５〜２３８℃）及び流量（２０〜５０ＳＬＰＭ）を用い、反応器２００の生産量を制御する。冷却剤側前後での圧低下は１インチ水柱（２．５４ｃｍ）である。ＣＯの最大転化率は９３．７％であるが、この転化率は、気体反応物注入温度２４２℃、冷却剤空気注入温度２０８℃、冷却剤空気の流量２０ＳＬＰＭを用いて得られる。

本発明について、様々な実施形態を詳述しながら説明したが、当業者には、本明細書に基づきその様々な変更形態が明らかになるであろうと理解される。したがって、ここに開示する発明は、添付した特許請求の範囲内に入るものである限り、このような変更形態を包合するものであると理解されるべきである。

特定の形式における本発明のプロセスを示す概略フローシートである。 本発明のプロセスについての別の実施形態を示す概略フローシートである。 特定の形式における本発明の装置を実施した交差流反応器の概略図である。 本発明の装置の代替実施形態を示す交差流反応器の概略図である。 実施例１で得られる平均温度に対するＣＯ転化率のグラフである。

Claims (75)

1. 所望の生成物を形成するため単段階プロセスチャネル内で平衡制限的化学反応を行うプロセスであって、
   （Ａ）第１の反応条件群の下で単段階プロセスチャネル内の第１の反応域中に反応物を流して中間生成物を生成する工程であって、第１の反応条件群は第１の理論的平衡生成物の生成に適しており、得られる中間生成物に所望の生成物が含まれる工程；及び
   （Ｂ）第２の反応条件群の下で単段階プロセスチャネル内の第２の反応域中に、工程（Ａ）で未反応であった反応物及び中間生成物を流して最終生成物を生成する工程であって、第２の反応条件群は第２の理論的平衡生成物の生成に適しており、第２の理論的平衡生成物は第１の理論的平衡生成物より濃度が高い所望の生成物を含んでおり、得られる最終生成物に所望の生成物が含まれる工程；
   を含むプロセス。
2. 最終生成物中の所望の生成物の濃度が中間生成物中より高い請求項１に記載のプロセス。
3. 工程（Ａ）の後、ただし工程（Ｂ）の前に、別の反応条件群の下で単段階プロセスチャネル内の別の反応域中に、工程（Ａ）で未反応であった反応物及び工程（Ａ）で生成された中間生成物を流して別の中間生成物を生成する工程を含み、ここで、前記反応条件群は別の理論的平衡生成物の生成に適しており、得られる別の理論的平衡生成物は第１の理論的平衡生成物より所望の生成物の高い濃度を有しており、別の中間生成物に所望の生成物が含まれることから成る請求項１に記載のプロセス。
4. 前記化学反応が発熱反応であり、付加的な冷却によりプロセスチャネルが冷却される請求項１に記載のプロセス。
5. 前記化学反応が吸熱反応であり、付加的な加熱によりプロセスチャネルが加熱される請求項１に記載のプロセス。
6. 工程（Ａ）及び／又は工程（Ｂ）において、反応物が触媒と接触する請求項１に記載のプロセス。
7. 工程（Ａ）及び工程（Ｂ）において反応物が触媒と接触し、工程（Ａ）の触媒が工程（Ｂ）の触媒と同じである請求項１に記載のプロセス。
8. 工程（Ａ）及び工程（Ｂ）において反応物が触媒と接触し、工程（Ａ）の触媒が工程（Ｂ）の触媒と異なる請求項１に記載のプロセス。
9. プロセスチャネルが冷却流体を用いて冷却され、該冷却流体は冷却チャネル内を流れ、該冷却チャネル内を流れる冷却流体の流れがプロセスチャネル内の反応物の流れに対して交差流である請求項４に記載のプロセス。
10. プロセスチャネルが冷却流体を用いて冷却され、該冷却流体は冷却チャネル内を流れ、該冷却チャネル内を流れる冷却流体の流れがプロセスチャネル内の反応物の流れに対して並流である請求項４に記載のプロセス。
11. プロセスチャネルが冷却流体を用いて冷却され、該冷却流体は冷却チャネル内を流れ、該冷却チャネル内を流れる冷却流体の流れがプロセスチャネル内の反応物の流れに対して向流である請求項４に記載のプロセス。
12. プロセスチャネルが加熱流体を用いて加熱され、該加熱流体は加熱チャネル内を流れ、該加熱チャネル内を流れる加熱流体の流れがプロセスチャネル内の反応物の流れに対して交差流である請求項５に記載のプロセス。
13. プロセスチャネルが加熱流体を用いて加熱され、該加熱流体は加熱チャネル内を流れ、該加熱チャネル内を流れる加熱流体の流れがプロセスチャネル内の反応物の流れに対して並流である請求項５に記載のプロセス。
14. プロセスチャネルが加熱流体を用いて加熱され、該加熱流体は加熱チャネル内を流れ、該加熱チャネル内を流れる加熱流体の流れがプロセスチャネル内の反応物の流れに対して向流である請求項５に記載のプロセス。
15. プロセスチャネルがマイクロチャネルである請求項１に記載のプロセス。
16. マイクロチャネル内を流れる冷却流体を用いてプロセスチャネルが冷却される請求項４に記載のプロセス。
17. マイクロチャネル内を流れる加熱流体を用いてプロセスチャネルが加熱される請求項５に記載のプロセス。
18. プロセスチャネルに入口、出口、及び入口と出口との間に伸びる長尺区間を備え、該プロセスチャネルの長尺区間に少なくとも１カ所の追加入口を含み、少なくとも１カ所の追加入口を通して少なくとも１種の追加反応物がプロセスチャネルに流入される請求項１に記載のプロセス。
19. 前記化学反応が水性ガスシフト反応である請求項１に記載のプロセス。
20. 前記化学反応がアセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水素脱アルキル化、還元アルキル化、アミノ化、アンモニア合成、芳香族化、アリール化、自熱改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元カルボニル化、カルボキシル化、還元カルボキシル化、還元カップリング、縮合、クラッキング、水素添加分解、環化、環状オリゴマー化、脱ハロゲン化、二量化、エポキシ化、エステル化、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、ヒドロハロゲン化、ホモロゲーション、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、ヒドロシリル化、加水分解、水素処理、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、メタノール合成、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、改質、逆水性ガスシフト、スルホン化、テロメリゼーション、エステル交換、三量化、サバティエ反応、二酸化炭素改質、選択酸化又は選択メタン化である請求項１に記載のプロセス。
21. 単段階プロセスチャネルで水性ガスシフト反応を行うプロセスであって、
    ＣＯ及びＨ₂Ｏを含む反応物を単段階プロセスチャネルに流す工程であって、該プロセスチャネルは反応物が入る入口及び生成物が出る出口を備え、該プロセスチャネル内に水性ガスシフト反応触媒が収容されており、該反応物はプロセスチャネル内を流れるときに触媒と接触し、発熱反応を起こしてＨ₂及びＣＯ₂を含む生成物を形成する工程；及び
    該プロセスチャネルと熱的接触のある冷却剤チャネルに冷却剤流体を流す工程であって、該冷却剤流体と該プロセスチャネルとの熱的接触によりプロセスチャネル内部に第１の反応域及び第２の反応域が形成され、第１の反応域はプロセスチャネルの入口に近く、第２の反応域はプロセスチャネルの出口に近く、第１の反応域内部の温度は第２の反応域内部の温度より高く、生成物の形成速度は第１の反応域で第２の反応域より大きく、ＣＯ転化率は反応物が第２の反応域を流れるに従い増大する工程；
    を含むプロセス。
22. 冷却剤流体が、冷却剤チャネル内をプロセスチャネル内の反応物及び生成物の流れ方向に対して交差流方向に流れる請求項２２に記載のプロセス。
23. 冷却剤流体が、冷却剤チャネル内をプロセスチャネル内の反応物及び生成物の流れ方向に対して向流方向に流れる請求項２２に記載のプロセス。
24. 冷却剤流体が、冷却剤チャネル内をプロセスチャネル内の反応物及び生成物の流れ方向に対して並流方向に流れる請求項２２に記載のプロセス。
25. プロセスチャネルがマイクロチャネルである請求項２２に記載のプロセス。
26. 冷却剤チャネルがマイクロチャネルである請求項２２に記載のプロセス。
27. 生成物からＣＯを除去するため、クリーンアッププロセスがプロセスチャネル内で行われる請求項２２に記載のプロセス。
28. 生成物からＣＯを除去するため、クリーンアッププロセスがプロセスチャネル外で行われる請求項２２に記載のプロセス。
29. 前記反応物が最高約５０モル％のＣＯ及び最高約９９．９モル％のＨ₂Ｏを含む請求項２２に記載のプロセス。
30. 前記反応物が約１〜約２０モル％のＣＯ、約１〜約７０モル％のＨ₂Ｏ、約１〜約２０モル％のＣＯ₂、約１〜約７５モル％のＨ₂を含む請求項２２に記載のプロセス。
31. 前記触媒が、貴金属、遷移金属又はその組み合せ；アルカリ金属、アルカリ土類金属、ホウ素、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、テルル、タリウム、鉛、ビスマス、ポロニウム、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ニッケル、コバルト、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、スズ、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ランタン系列元素の酸化物；又は前記の２種類以上の組み合わせを含む請求項２２に記載のプロセス。
32. 前記触媒がジルコニア担持アルカリ金属変性ルテニウム触媒を含む請求項２２に記載のプロセス。
33. 前記触媒が酸化第二銅、酸化亜鉛、酸化アルミニウムを含む請求項２２に記載のプロセス。
34. 前記触媒がアルミナ、シリカ、チタニア又はジルコニアから選択される支持体を含む請求項２２に記載のプロセス。
35. 前記触媒がＰｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｅ、又は前記のいずれかの酸化物を含む請求項２２に記載のプロセス。
36. 前記触媒が遷移金属カーバイド、窒化物又はホウ化物、若しくは前記のいずれかの酸素含有類似体を含む請求項２２に記載のプロセス。
37. 前記触媒が還元性金属酸化物を含浸した支持体を含む請求項２２に記載のプロセス。
38. 前記還元性金属酸化物がＣｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｅの酸化物又はこのうち２種類以上の混合物を含む請求項３８に記載のプロセス。
39. 前記触媒は、粒子径中央値が約６０〜約１０００μｍの範囲にある粒状の固体の形態をしている請求項２２に記載のプロセス。
40. 前記触媒が多孔性支持体、界面層、触媒材料を含む請求項２２に記載のプロセス。
41. 前記触媒が多孔性支持体、緩衝層、界面層、触媒材料を含む請求項２２に記載のプロセス。
42. 前記触媒は、発泡体、フェルト、ワッド、ハニカム、挿脱式のフィン、又はこの組み合わせの形態をしている請求項２２に記載のプロセス。
43. 前記触媒が隣接する空隙を有するフローバイ構造、隣接する空隙を有する発泡体、空隙を有するフィン構造、挿入された基材上のウォッシュコート、流れの方向に対して平行であって流れのため対応する空隙を有する網のいずれかの形態をしている請求項２２に記載のプロセス。
44. 前記触媒がプロセスチャネルの内壁表面にウォッシュコートされている請求項２２に記載のプロセス。
45. 第１の水性ガスシフト反応触媒が第１の反応域に存在し、第２の水性ガスシフト反応触媒が第２の反応域に存在する請求項２２に記載のプロセス。
46. 前記反応物及び／又は前記生成物と触媒との接触時間が約１０〜約１０００ミリ秒である請求項２２に記載のプロセス。
47. 第１の温度領域の温度が約２００℃〜約４００℃の範囲である請求項２２に記載のプロセス。
48. 第２の温度領域の温度が約１５０℃〜約３００℃の範囲である請求項２２に記載のプロセス。
49. プロセスチャネルへの入口において前記反応物の圧力が最大約５００ｐｓｉｇである請求項２２に記載のプロセス。
50. 冷却剤流体が空気、蒸気、液体状態の水、二酸化炭素、気体窒素、液体窒素、気体炭化水素、油のいずれかである請求項２２に記載のプロセス。
51. 冷却剤流体が冷却剤チャネルに入るときの温度が約−２００℃〜約４００℃の範囲である請求項２２に記載のプロセス。
52. 前記生成物が最高約９９．９モル％のＨ₂及び最高約５０モル％のＣＯ₂を含む請求項２２に記載のプロセス。
53. 前記生成物が約０．１〜約３０モル％のＣＯ₂、約０．１〜約９０モル％のＨ₂、約０．０１〜約５モル％のＣＯ、約４０〜約９９モル％のＨ₂Ｏ及び最大約１０モル％のＣＨ₄を含む請求項２２に記載のプロセス。
54. プロセスチャネル内を通る前記反応物及び／又は前記生成物の圧力低下が、プロセスチャネルの長さ１フィート当たり最大約４０ポンド／平方インチである請求項２２に記載のプロセス。
55. 複数の単段階プロセス化学物質が並行して運転される請求項２２に記載のプロセス。
56. 複数の冷却剤チャネルが並行して運転される請求項２２に記載のプロセス。
57. 並行して運転される複数の単段階プロセスチャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
58. 並行して運転される複数の単段階プロセスチャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１００標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
59. 並行して運転される複数の単段階プロセスチャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、前記反応物及び／又は前記生成物と触媒との接触時間は最大約２５０ミリ秒であり、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
60. 並行して運転される複数の単段階プロセスチャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、前記反応物及び／又は前記生成物と触媒との接触時間は最大約１５０ミリ秒であり、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
61. 並行して運転される複数の単段階プロセスチャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、前記反応物及び／又は前記生成物と触媒との接触時間は最大約１００ミリ秒であり、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
62. 並行して運転される複数の冷却剤チャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、冷却剤チャネル内を流れる冷却剤の全圧低下が最大約２ポンド／平方インチ以下であり、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
63. 並行して運転される複数の冷却剤チャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、冷却剤チャネル内を流れる冷却剤の全圧低下が最大約１ポンド／平方インチ以下であり、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
64. 並行して運転される複数の冷却剤チャネルを収容した反応器内でプロセスが行われ、冷却剤チャネル内を流れる冷却剤の全圧低下が最大約１０インチ水柱以下であり、該プロセスにより反応器内の単段階プロセスチャネルの体積１リットル当たり少なくとも約１０標準リットル毎分の速度で水素が生成される請求項２２に記載のプロセス。
65. 前記生成物中のＨ₂が、選択酸化反応器、水素又は一酸化炭素のいずれかの膜分離、水素又は一酸化炭素のいずれかに対する収着に基づく分離システム、又はメタン化反応器を用いて精製される請求項２２に記載のプロセス。
66. 前記生成物に由来するＨ₂が燃料電池の運転に使用される請求項２２に記載のプロセス。
67. 前記生成物に由来するＨ₂が、供給材料の水素化、水素処理、ハイドロアルキル化、水素添加分解、又は水素化脱硫に使用される請求項２２に記載のプロセス。
68. 前記生成物に由来するＨ₂が、塩化水素、臭化水素、エタノール、メタノール又はアンモニアを生成するため反応させられる請求項２２に記載のプロセス。
69. 前記生成物に由来するＨ₂が金属水素化物の作成に使用される請求項２２に記載のプロセス。
70. 前記生成物に由来するＨ₂が、油脂又は石油の水素添加に使用される請求項２２に記載のプロセス。
71. 前記生成物に由来するＨ₂が金属鉱石の還元に使用される請求項２２に記載のプロセス。
72. 前記生成物に由来するＨ₂が触媒の還元に使用される請求項２２に記載のプロセス。
73. 互いに並行に伸びる列として配置され、各単段階プロセスマイクロチャネルの内部に触媒が封入された単段階プロセスマイクロチャネルのアレイ；及び
    互いに平行に伸びる列として配置されている熱交換チャネルのアレイであって、熱交換チャネルが単段階プロセスマイクロチャネルの横断方向に伸び、該熱交換チャネルの列と単段階プロセスマイクロチャネルの列とは分離した交互の平板上に配置されている熱交換チャネルのアレイ
    を備えている装置。
74. 前記熱交換チャネルがマイクロチャネルである請求項７４に記載の装置。
75. 前記単段階プロセスチャネル及び前記熱交換チャネルが、鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、黄銅、前記のいずれかの金属の合金、高分子、セラミックス、ガラス、複合材、石英、ケイ素又はこの２種類以上の組み合わせから製造される請求項７４に記載の装置。
    

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