JP5704786B2 - マイクロチャネル技術を用いる多相反応プロセス - Google Patents

マイクロチャネル技術を用いる多相反応プロセス Download PDF

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Description

本出願は、米国連邦法規集３５の１１９（ｅ）節に従って、２００４年１１月１６日出願の米国特許仮出願第６０／６２８，１６３号、２００５年７月８日出願の米国特許仮出願第６０／６９７，９００号、２００５年１０月１３日出願の米国特許仮出願第６０／７２７，１２６号および２００５年１０月２７日出願の米国特許仮出願第６０／７３１，５９６号の優先権を主張する。これらの先行出願の中の開示は、参照によって全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、マイクロチャネル反応器の中で多相反応を実行するためのプロセスに関する。
多相反応プロセスは、化学および医薬品産業において重要な役割を演じている。これらのプロセスは、関与する相に応じて、例えば、気‐液反応、気‐液‐液反応、気‐液‐固反応等の反応に分類することができる。これらの反応は、触媒反応であってもよく、あるいは非触媒反応であってもよい。触媒は、不均一系であってもよく、あるいは均一系であってもよい。しかし、これらの反応の多くに伴う一問題は、単一相の反応体による反応と比較すると、実行するのが難しいことである。これは、少なくとも部分的には、異なる相の間の相互作用および物質移動の効率が比較的小さい傾向があり、その結果、単一相反応体の反応と比較すると、反応速度が比較的遅い傾向があるという事実に起因する。
一般に、多相反応を加速するためには、通常、大きな界面面積を相の間に作り出すためのプロセス工程が必要になる。これは、例えば、強い撹拌または追加混合手順を含むことがある。当分野によって提示される問題は、多相反応プロセスにおいて、異なる相の間に大きな界面面積を提供して見かけの反応速度を増加させるための、より効果的なプロセスへの求めに関する。
本発明は、少なくとも一実施態様では、この問題に解決法を提供する。本発明は、多相混合物を実行するためのプロセスに関する。このプロセスは、第一の反応体と第二の反応体とを含む多相反応混合物を形成させる工程であって、第一の反応体は、少なくとも一つの液体を含み、第二の反応体は、少なくとも一つの気体、少なくとも一つの液体、または少なくとも一つの気体と少なくとも一つの液体との組み合わせを含み、第一の反応体は、多相反応混合物の中の連続相を形成し、第二の反応体は、連続相の中に分散した気泡および／または液滴を形成させる工程、および第一の反応体と第二の反応体とを、少なくとも一つの触媒の存在下、プロセスマイクロチャネルの中で反応させて少なくとも一つの生成物を形成させる工程を含む。
一実施態様では、気泡および／または液滴は、約０．１から約１００ミクロンの範囲の体積基準平均直径と、約１から約１０の範囲のスパンとを有するとよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルと発熱源および／または吸熱源との間で熱が交換されてもよい。
一実施態様では、多相反応混合物は、プロセスマイクロチャネルの中で形成されてもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルは、少なくとも一つの側壁と、側壁の軸方向長さの少なくとも一部に沿って延在する少なくとも一つの開口区間とを含んでよく、第二の反応体は、開口区間を通ってプロセスマイクロチャネルに流れ込み、第一の反応体と接触して多相反応混合物を形成してもよい。一実施態様では、第二の反応体は、第二の反応体流チャネルから開口区間へ流れてもよい。
一実施態様では、本プロセスは、マイクロチャネル反応器の中で実行されてよく、マイクロチャネル反応器は、複数のプロセスマイクロチャネルと、反応体をプロセスマイクロチャネルに配分するための少なくとも一つのヘッダとを含み、多相反応混合物は、ヘッダの中で形成され、ヘッダからプロセスマイクロチャネルに流れ込むようにしてもよい。
一実施態様では、ヘッダは、第一の反応体区域、少なくとも一つの第二の反応体区域、および第一の反応体区域と第二の反応体区域との間に配置された開口区間を含んでよく、第二の反応体は、第二の反応体区域から開口区間を通って第一の反応体区域に流れ込み、第一の反応体と接触して多相反応混合物を形成し、多相反応混合物は、第一の反応体区域からプロセスマイクロチャネルに流れ込むようにしてもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの中に反応区域があり、第二の反応体は、反応区域の中で第一の反応体と接触して多相反応混合物を形成する。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの中に混合区域と反応区域とがあり、混合区域は、反応区域の上流にあり、第二の反応体は、混合区域の中で第一の反応体と接触して多相反応混合物を形成する。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの中に混合区域と反応区域とがあり、混合区域は、反応区域の上流にあり、第二の反応体は、第一の反応体と接触して多相反応混合物を形成し、第二の反応体の一部は、混合区域の中で第一の反応体と接触し、第二の反応体の一部は、反応区域の中で第一の反応体と接触する。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルは、二つ以上の反応区域を含んでもよい。各反応区域の中で同じ触媒が用いられてもよく、または反応区域の中で異なる触媒が用いられてもよい。あるいは、反応区域のうちの一つだけが触媒を含んでもよく、あるいはどの反応区域も触媒を含まなくてもよい。
一実施態様では、二つ以上の反応区域は、マイクロチャネルの軸方向長さに沿って変化する反応混合物の流体力学的性質に適応するために、異なる設計を含んでもよい。一つの反応区域の中のプロセスマイクロチャネルの断面は、他の反応区域と比較して異なっていてもよい。一つの反応区域の中の表面構成要素の幾何構造またはサイズも、他の反応区域と比較して異なっていてもよい。これは、反応体相の一方が他方の相より高い反応進行度を有するとき、混合および物質移動抵抗低下を促進するために用いてもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルは、プロセスマイクロチャネルの中の流れおよび／または混合を変化させるために、一つ以上の内壁の中および／または上に形成された表面構成要素を含んでもよい。一実施態様では、反応区域の下流のプロセスマイクロチャネルの中の表面構成要素または毛管構造物を用いて液体からの気体の分離を促進してもよい。
一実施態様では、反応体は、表面構成要素を含む反応区域および／または混合区域の中の領域を通って流れてもよい。表面構成要素は、表面構成要素の上および／または内部に配置された触媒を有してもよい。表面構成要素は、反応が進行するにつれて反応体の間に密接な混合を提供するために、流れを変化させてもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルと第二の反応体流チャネルとを分離する共通の壁の中に開口区間を配置してもよい。第二の反応体原料流は、第二の反応体流チャネルから、開口区間を通って反応区域および／または混合区域に流れ込んでもよい。反応体の混合を促進するために、開口区間の上または中の表面構成要素を用いてもよい。
一実施態様では、第二の反応体流チャネルは、チャネル内の流れおよび／または混合を変化させるために、一つ以上の内壁の中および／または上に形成された表面構成要素を含んでもよい。
一実施態様では、発熱源および／または吸熱源は、少なくとも一つの熱交換チャネルを含む。一実施態様では、熱交換チャネルは、熱交換チャネル内の流れおよび／または混合を変化させるために、一つ以上の内壁の中および／または上に形成された表面構成要素を含んでもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの数は、熱交換チャネルの数より多く、その結果、例えば、二つ以上のプロセスマイクロチャネルが一つの熱交換チャネルと熱を交換してもよい。二つ以上のプロセスマイクロチャネルが、介在する熱交換チャネルなしに互いに隣接してもよい。一つのプロセスマイクロチャネルからの熱が、隣接するプロセスマイクロチャネルを介して、隣接する熱交換チャネルまたは第三のプロセスマイクロチャネルに移動してもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの中に、流動床の形の固体粒子が存在してもよく、プロセスマイクロチャネルは、プロセスマイクロチャネル内の流れおよび／または混合を変化させるために、その内壁の一つ以上の中および／または上に形成された表面構成要素を含んでもよい。
一実施態様では、開口区間は、開口区間の軸方向長さに沿って第二の反応体を連続的に導入するのではなく、複数の別々の原料導入点を含んでもよい。別々の原料導入点の数は、任意の数、例えば、２、３、４、５、６、７、８、１０、２０、５０、１００等であってよい。別々の原料導入点は、異なる反応次数の並発反応の場合、または異なる反応次数を有する逐次並発反応の場合に有利なことがある。
一実施態様では、本発明のプロセスは、従来技術の多相反応プロセスと比較すると、効率の高い反応体混合と、精度の高い温度調節とを提供することができる。一実施態様では、本発明のプロセスは、所望の生成物への比較的高い選択能力を提供することができる。本発明のプロセスによって実現することができる効率の高い混合によって、必要とされる反応体の一つ以上の量の低減を実現することができる。本発明のプロセスによって提供することができるプロセス能力増強の結果として、エネルギー利用量の低減を実現することができる。
添付の図面で、同様な部品および構成要素は、同様な参照符号を有する。
用語「マイクロチャネル」は、最大約１０ミリメートル（ｍｍ）、一実施態様では最大約５ｍｍ、一実施態様では最大約２ｍｍ、一実施態様では最大約１ｍｍの高さまたは幅の少なくとも一方の内部寸法を有するチャネルを指す。図１に、本発明のプロセスで用いることができるマイクロチャネルの例が示される。図１に例が示されたマイクロチャネル１０は、高さ（ｈ）、幅（ｗ）および軸方向長さ（ｌ）を有する。高さまたは幅のうち小さな方をギャップと呼んでもよい。マイクロチャネルを通って流れる流体のバルク流れは、軸方向長さと平行な、高さと幅との両方に垂直な方向に流れることができる。マイクロチャネルの高さ（ｈ）または幅（ｗ）は、約０．０５から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約２ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１．５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約０．７５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約０．５ｍｍの範囲にあるとよい。一実施態様では、高さまたは幅は、約０．１５から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．２から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．３から約１０ｍｍの範囲にあるとよい。高さまたは幅の他方の寸法は、任意の寸法、例えば、最大約３メートル、一実施態様では約０．０１から約３メートル、一実施態様では約０．１から約３メートルであるとよい。マイクロチャネルの軸方向長さ（ｌ）は、任意の寸法、例えば、最大約１０メートル、一実施態様では約０．０５から約１０メートルの範囲、一実施態様では約０．１から約１０メートルの範囲、一実施態様では約０．２から約１０メートル、一実施態様では約０．２から約６メートル、一実施態様では約０．２から約３メートルであるとよい。図１に例が示されたマイクロチャネル１０は長方形の断面を有するが、マイクロチャネルは任意の形状、例えば正方形、円形、半円形、台形等を有する断面を有してよいと理解されるものとする。マイクロチャネルの断面の形状および／またはサイズは、その長さにわたって変化してよい。例えば、高さまたは幅に、マイクロチャネルの長さにわたって相対的に大きな寸法から相対的に小さな寸法へ、またはその逆に、テーパが付けられてもよい。
用語「マイクロチャネル反応器」は、化学反応がマイクロチャネルの中で実行される反応器を指す。
用語「隣接する」は、別のチャネルに対する一つのチャネルの相対的な位置を指すとき、直接隣接し、その結果、一枚の壁がこれらの二つのチャネルを分離することを意味する。この壁の厚さは変化してよい。しかし、「隣接する」チャネル同士は、チャネル同士の間の伝熱に干渉する介在チャネルで分離されることはない。
用語「表面構成要素」は、マイクロチャネル内の流れを変化させるマイクロチャネル壁の中の窪みおよび／またはマイクロチャネル壁からの突起物を指す。表面構成要素は、円形、楕円形、正方形、長方形、格子形、Ｖ字形、波形および類似形であってよい。表面構成要素は、副構成要素を含んでもよく、その場合、表面構成要素の主壁は、ノッチ、波、ギザギザ、孔、ばり、格子、扇および類似の形をとることができる小さな表面構成要素をさらに含む。表面構成要素は、深さ、幅を有し、非円形の表面構成要素の場合、長さを有する。図２７〜３１に例が示される。表面構成要素は、本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの内部側壁の一つ以上の上または中に形成するとよい。表面構成要素は、本発明のプロセスで用いられる第二の反応体流のチャネルおよび／または熱交換チャネルの内部側壁の一つ以上の上または中に形成してもよい。表面構成要素は、受動表面構成要素または受動混合構成要素と呼んでもよい。表面構成要素は、層流の流線を撹乱し、バルク流れの方向に対して角度を有する移流を作り出すために用いてもよい。これは、触媒がプロセスマイクロチャネル側壁の上、または表面構成要素の上に配置されているとき、特に、反応体と触媒との間の接触を促進することがある。
用語「毛管構造物」は、液体を優先的に保持し、液体で満たされ、その結果、液体で満たされた開口または通路を気体が通り抜けないようにするのに十分小さな開口または通路を指してもよい。毛管構造物は、気体を液体から分離するために用いてもよい。
用語「流体」は、気体、液体、分散した固体を含む気体または液体、あるいはそれらの混合物を指す。流体は、分散した液滴を含む気体の形であってもよい。流体は、分散した液体または気体の滴を含む液体の形であってもよい。
用語「混じり合わない」は、一方の液体が別の液体に溶けないか、または２５℃でリットルあたり多くても約１ミリリットル程度しか溶けないことを指す。
用語「接触時間」は、マイクロチャネル反応器内の反応区域の体積を、温度０℃および圧力一気圧で反応区域を通って流れる流体の体積供給流量で除した商を指す。
用語「反応区域」は、反応が行われるマイクロチャネル内の空間を指す。反応区域は、触媒を含んでもよく、あるいは含まなくてもよい。
用語「滞留時間」は、空間を通って流れる流体が占める空間（例えばプロセスマイクロチャネル内の混合区域）の内部体積を、空間内の温度および圧力でその空間を通って流れる流体の体積流量で除した商を指す。
チャネルの中を流れる流体の速度のための用語「空塔速度」は、標準圧力および温度における体積流量をチャネルの開放断面積で除した商を指す。
用語「上流」および「下流」は、チャネルの中の流体流の流れの方向に対する、本発明のプロセスにおいて用いられるチャネル（例えばプロセスマイクロチャネル）内の位置を指す。例えば、その位置に向かって流れて来る流体の部分がまだ到着していないチャネル内の位置は、流体のその部分の下流である。その位置から流れ去る流体の部分が既に通り過ぎたチャネル内の位置は、流体のその部分の上流である。本発明のプロセスで用いられるプロセスチャネルは水平、垂直、あるいは傾斜角度に配向していてもよいので、用語「上流」および「下流」は必ずしも垂直位置を指すものではない。
用語「発熱源」は、熱を発生し、別の物体またはデバイスを加熱するために用いることができる物体またはデバイスを指す。発熱源は、別の物体またはデバイスへ熱を移動させる、熱交換流体を内部に有する熱交換チャネルの形であってもよい。別の物体またはデバイスは、例えば、熱交換チャネルに隣接するか、または熱交換チャネルから移動する熱を受け取るのに十分に近いチャネルである。熱交換流体は、熱交換チャネルの中に収容されていてもよく、および／または、熱交換チャネルを通って流れてもよい。発熱源は、加熱素子、例えば非流体電熱素子または抵抗加熱器の形であってもよい。
用語「吸熱源」は、熱を吸収し、別の物体またはデバイスを冷却するために用いることができる物体またはデバイスを指す。吸熱源は、別の物体またはデバイスから移動する熱を受け取る、熱交換流体を内部に有する熱交換チャネルの形であってもよく、別の物体またはデバイスは、例えば、熱交換チャネルに隣接するか、または熱交換チャネルへ熱を移動させるのに十分に近いチャネルである。熱交換流体は、熱交換チャネルの中に収容されていてもよく、および／または、熱交換チャネルを通って流れてもよい。吸熱源は、冷却素子、例えば非流体冷却素子の形であってもよい。
用語「発熱源および／または吸熱源」は、熱を放出するか、または熱を吸収することができる物体またはデバイスを指す。発熱源および／または吸熱源は、熱交換チャネルに隣接するかまたは近くにある別の物体またはデバイスに、別の物体またはデバイスが加熱されるとき熱を伝えるか、または熱交換チャネルに隣接するかまたは近くにある別の物体またはデバイスから、別の物体またはデバイスが冷却されるとき伝えられる熱を受け取る熱交換流体を内部に有する熱交換チャネルの形であってもよい。発熱源および／または吸熱源として働く熱交換チャネルは、あるときは加熱チャネル、他のときは冷却チャネルとして働いてもよい。熱交換チャネルのさまざまな部分は、加熱チャネルとして働いてもよく、一方、熱交換チャネルの別のさまざまな部分は、冷却チャネルとして働いてもよい。
用語「熱交換チャネル」は、熱を発生し、および／または熱を吸収することができる熱交換流体を内部に有するチャネルを指す。
用語「熱交換流体」は、熱を発生し、および／または熱を吸収することができる流体を指す。
用語「反応体の反応率」は、マイクロチャネル反応器に入る流体とマイクロチャネル反応器から出る流体との間の反応体モル数の変化をマイクロチャネルに入る流体の中の反応体のモルで除した商を指す。
用語「収率」は、マイクロチャネル反応器から出る生成物のモル数をマイクロチャネル反応器に入る第一の反応体のモル数で除した商を指すために本明細書で用いられる。
本明細書では、用語「サイクル」は、プロセスマイクロチャネルを通る反応体の一回の通過を指すために用いられる。
用語「炭化水素」は、以下を指す。
（１）純炭化水素化合物、すなわち脂肪族化合物（例えばアルカンまたはアルキレン）、脂環式化合物（例えばシクロアルカン、シクロアルキレン）、芳香族化合物、脂肪族および脂環式置換芳香族化合物、芳香族置換脂肪族化合物、芳香族置換脂環式化合物および類似物。例は、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、シクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、トルエン、キシレン類、エチルベンゼン、スチレン等を含む。
（２）置換炭化水素化合物、すなわち、非炭化水素置換基を含む炭化水素化合物。非炭化水素置換基の例は、ヒドロキシル、アシル、ニトロ等を含む。
（３）ヘテロ置換炭化水素化合物、他の場合には炭素原子で構成される分子鎖または環に炭素以外の原子を含む炭化水素化合物。ヘテロ原子の例は、例えば、窒素、酸素および硫黄を含む。
本発明のプロセスは、別々の相の中の反応体が一緒に反応して所望の生成物を形成する任意の化学反応を実行するのに適したものにすることができる。これらは、気‐液反応、液‐液反応、気‐液‐液反応、気‐液‐固反応、液‐液‐固反応等の反応を含む。本発明のプロセスによって実行することができる反応は、酸化反応、水素化分解反応、水素化反応、水和反応、カルボニル化反応、硫酸化反応、スルホン化反応、オリゴマ化反応、重合反応等の反応を含む。
第一の反応体は、一つ以上の液体を含んでもよい。第一の反応体が二つ以上の液体を含むとき、結果として得られる液体混合物は、溶液または多相液体混合物（例えばエマルジョン）の形であってもよい。一実施態様では、第一の反応体は、一つ以上の液体の中に分散した固体をさらに含んでもよい。固体は、触媒粒子を含んでもよい。あるいは、固体は、触媒でなくてもよい。固体は、所望の製品組織を提供し、目的のまたは望ましくない副生物を吸着し、プロセスマイクロチャネルとのせん断を強める等のために加えてもよい。固体は、プロセスマイクロチャネルの中に入れるのに十分小さければ、任意のサイズであってよい。例えば、固体は、約０．０１から約２００ミクロン、一実施態様では約１から約４０ミクロンの範囲の中間値粒子直径を有するとよい。
第二の反応体は、一つ以上の液体、一つ以上の気体、またはそれらの混合物を含んでもよい。第二の反応体は、分散した液滴を含む一つ以上の気体、または分散した気泡を含む一つ以上の液体を含んでもよい。第二の反応体は、気体の形であり、第一の反応体の中に導入されて多相反応混合物を形成するとき、第一の反応体の中の気泡を形成してもよい。第二の反応体は、液体の形であり、第一の反応体の中に導入されて多相反応混合物を形成するとき、第一の反応体の中の液滴を形成してもよい。第二の反応体は、液体の形であるとき、第一の反応体と混じり合わなくてもよい。あるいは、多相反応混合物は、泡を含んでもよく、薄い液膜が捕捉された気体を被覆する。泡は、連続または不連続な泡構造を含んでもよい。
反応体の純度は、重要でないこともあるが、触媒を被毒させる化合物の存在を避けることが望ましい。反応体は、反応体と反応しない不純物を含んでもよい。
第一および／または第二の反応体は、一つ以上の希釈材料を含んでもよい。そのような希釈剤の例は、窒素、ヘリウム、非反応性炭化水素希釈剤および類似物質を含む。反応体のそれぞれの希釈剤濃度は、０から約９９重量％、一実施態様では０から約７５重量％、一実施態様では０から約５０重量％の範囲にあるとよい。反応体が気体の形であり、反応体として液体を用いることが望ましいとき、希釈剤を反応体の一つ以上と組み合わせてもよい。粘性液体反応体の粘度を低くするために、希釈剤を用いてもよい。本発明の少なくとも一実施態様の一利点は、そのような希釈剤を使わずに、より効率的な小型のプロセスを提供することができる点である。
触媒は、酸化触媒、水素化分解触媒、水素化触媒、水和触媒、カルボニル化触媒、硫酸化触媒、スルホン化触媒、オリゴマ化触媒、重合触媒またはそれらの二種類以上の組み合わせであってもよい。
酸化反応は、一つ以上の酸化触媒の存在下で、酸素または酸素源との酸化反応を行うことができる一つ以上の炭化水素化合物の反応を含んでもよい。炭化水素化合物は、第一の反応体と呼んでもよいが、液体の形であってもよく、あるいは一つ以上の液体の中に分散した気体の形であってもよい。酸素または酸素源は、第二の反応体と呼んでもよいが、気体の形であってもよい。
酸化反応に用いることができる炭化水素化合物は、飽和脂肪族化合物（例えばアルカン）、不飽和脂肪族化合物（例えばアルケン、アルキン）、アルデヒド、アルキル置換芳香族化合物、アルキレン置換芳香族化合物および類似化合物を含む。飽和脂肪族化合物は、分子あたり１から約２５の炭素原子、一実施態様では１から約２０の炭素原子、一実施態様では１から約１０の炭素原子を含むアルカンを含む。これらは、直鎖アルカン、一分岐鎖および複数分岐鎖アルカン、および環に結合した一つ以上のアルキル基を有する環状アルカンを含む、環状アルカンを含む。これらは、メタン、エタン、プロパン、イソプロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、シクロペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、２‐エチルヘキサン、ノナン、デカン、ドデカンおよび類似化合物を含む。不飽和脂肪族化合物は、アルケンまたはアルキレン、およびアルキンを含む。不飽和脂肪族化合物は、２から約２５の炭素原子、一実施態様では約２から約２０の炭素原子、一実施態様では約２から約１０の炭素原子を含むとよい。これらは、直鎖アルケン、一分岐鎖および複数分岐鎖アルケン、および環に結合した一つ以上のアルキルおよび／またはアルケン基を有する環状アルケンを含む環状アルケンを含む。これらは、エチレン、プロピレン、１‐ブテン、２‐ブテン、イソブチレン、１‐ペンテン、２‐ペンテン、３‐メチル‐１‐ブテン、２‐メチル‐２‐ブテン、１‐ヘキセン、２，３‐ジメチル‐２‐ブテン、１‐ヘプテン、１‐オクテン、１‐ノナン、１‐デセン、１‐ドデセンおよび類似化合物を含む。
不飽和脂肪族化合物は、ポリエンを含んでもよい。これらは、ジエン、トリエンおよび類似物を含む。これらの化合物は、分子あたり３から約２５の炭素原子、一実施態様では約３から約２０の炭素原子、一実施態様では約３から約１０の炭素原子を含むとよい。例は、１，２‐プロパジエン（別名アレン）、１，３‐ブタジエン、２‐メチル‐１，３‐ブタジエン（別名イソプレン）、１，３‐ペンタジエン、１，４‐ペンタジエン、１，５‐ヘキサジエン、２，４‐ヘキサジエン、２，３‐ジメチル‐１，３‐ブタジエンおよび類似化合物を含む。
アルデヒドは、飽和であってもよく、あるいは不飽和であってもよい。アルデヒドは、脂肪族であってもよく、および／または芳香族であってもよい。アルデヒドは、分子あたり２から約２５の炭素原子、一実施態様では約２から約２０の炭素原子、一実施態様では約２から約１０の炭素原子を含むとよい。例は、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ｎ‐ブチルアルデヒド、ｎ‐バレルアルデヒド、カプロアルデヒド、アクロレイン、トラン‐２‐ｃｉｓ‐６‐ノナジエナール、ｎ‐ヘプチルアルデヒド、ｔｒａｎｓ‐２‐ヘキセナール、ヘキサデコナール、ベンズアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、ｏ‐トルアルデヒド、ｍ‐トルアルデヒド、ｐ‐トルアルデヒド、サリチルアルデヒド、ｐ‐ヒドロキシベンズアルデヒドおよび類似化合物を含む。
アルキルまたはアルキレン置換芳香族化合物は、一つ以上のアルキルまたはアルキレン置換基を含んでもよい。これらの化合物は、単環化合物（例えばフェニル）であってもよく、あるいは多環化合物（例えばナフチル）であってもよい。これらの化合物は、１から約２５の炭素原子、一実施態様では１から約２０の炭素原子、一実施態様では１から約１０の炭素原子を含む一つ以上のアルキル基を含むアルキル置換芳香族化合物を含む。これらは、２から約２５の炭素原子、一実施態様では２から約２０の炭素原子、一実施態様では２から約１０の炭素原子を含む一つ以上のアルキレン基を含むアルキレン置換芳香族化合物も含む。例は、トルエン、ｏ‐キシレン、ｍ‐キシレン、ｐ‐キシレン、ヘミメリテン、プソイドクメン、メシチレン、プレーニテン、イソジュレン、ジュレン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、エチルベンゼン、ｎ‐プロピルベンゼン、シメン、ｎ‐ブチルベンゼン、イソブチルベンゼン、ｓｅｃ‐ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ‐ブチルベンゼン、ｐ‐シメン、スチレンおよび類似化合物を含む。
酸化反応において用いられる酸素または酸素源は、分子状酸素、空気、あるいは酸素源として機能することができる窒素酸化物などのその他の酸化剤を含んでもよい。酸素源は、二酸化炭素、一酸化炭素または過酸化物（例えば過酸化水素）であってもよい。酸素と空気との混合物、あるいは酸素と不活性ガス（例えばヘリウム、アルゴン等）または希釈ガス（例えば二酸化炭素、水蒸気等）との混合物など、酸素を含む気体混合物を用いてもよい。酸素源は、酸素濃縮空気を含んでもよい。
酸素に対する炭化水素反応体のモル比は、約０．２：１から約８：１、一実施態様では約０．５：１から約４：１、一実施態様では約１：１から約３：１の範囲にあるとよい。一実施態様では、モル比は、約２：１以上、一実施態様では約２．５：１以上であるとよい。一実施態様では、モル比は、約１．８以下であるとよい。
酸化触媒は、酸化触媒として有用な任意の触媒を含んでもよい。触媒は、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅのうちの一つ以上の金属、金属酸化物または混合金属酸化物、あるいはそれらの二種類以上の混合物を含んでもよい。これらの触媒は、一つ以上のアルカリ金属、アルカリ土類金属、その他の遷移金属、希土類金属、またはランタニド類を含んでもよい。さらに、ＰおよびＢｉなどの元素が存在してもよい。触媒は、担持されていてもよく、担持される場合、有用な担体は、金属酸化物（例えばアルミナ、チタニア、ジルコニア）、シリカ、メソ多孔質材料、ゼオライト、耐火材料、またはそれらの二つ以上の組み合わせを含む。これらの触媒が取り得る形を、下記でさらに詳しく考察する。
酸化反応によって形成される生成物は、一つ以上の含酸素化合物を含んでもよい。本明細書では、用語「含酸素化合物」は、少なくとも一つの酸素を含む炭化水素化合物を指すために用いられる。含酸素化合物は、アルコール、エポキシド、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、カルボン酸無水物、エステルおよび類似化合物を含む。含酸素化合物は、エポキシドおよびエステルを除いて、分子あたり１から約２５の炭素原子、一実施態様では１から約２０の炭素原子、一実施態様では１から約１０の炭素原子を含む上記で示された含酸素化合物の一つ以上を含む。エポキシドおよびエステルは、少なくとも２個の炭素原子を含まなければならないが、その他のすべての点では、上記で示される範囲、例えば、２から約２５の炭素原子等、の内にある化合物を含むと考えられる。アルコールは、モノオルおよびポリオールを含む。特定の例は、メタノール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ペンチルアルコール、シクロペンチルアルコール、クロチルアルコール、ヘキシルアルコール、シクロヘキシルアルコール、アリルアルコール、ベンジルアルコール、グリセロールおよび類似化合物を含む。エポキシドは、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、イソブチレンオキシド、シクロペンテンオキシド、シクロヘキセンオキシド、スチレンオキシドおよび類似化合物を含む。アルデヒドは、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ｎ‐ブチルアルデヒド、ｎ‐バレルアルデヒド、カプロアルデヒド、アクロレイン、トラン‐２‐ｃｉｓ‐６‐ノナジエナール、ｎ‐ヘプチルアルデヒド、ｔｒａｎｓ‐２‐ヘキセナール、ヘキサデコナール、ベンズアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、ｏ‐トルアルデヒド、ｍ‐トルアルデヒド、ｐ‐トルアルデヒド、サリチルアルデヒド、ｐ‐ヒドロキシベンズアルデヒドおよび類似化合物を含む。ケトンは、アセトン、メチルエチルケトン、２‐ペンタノン、３‐ペンタノン、２‐ヘキサノン、３‐ヘキサノン、シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトン、アセトフェノン、プロピオフェノン、ｎ‐ブチロフェノン、ベンゾフェノンおよび類似化合物を含む。カルボン酸は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、アクリル酸、メタアクリル酸、安息香酸、トルイル酸、フタル酸、サリチル酸および類似化合物を含む。カルボン酸無水物は、無水酢酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水安息香酸および類似化合物を含む。カルボン酸およびカルボン酸無水物は、炭化水素置換カルボン酸およびカルボン酸無水物（例えば炭化水素置換コハク酸および無水物）を含み、炭化水素置換基は、１から約５００の炭素原子、一実施態様では約２０から約５００の炭素原子を含む。エステルは、酢酸メチル、酢酸ビニル、酢酸エチル、ｎ‐酢酸プロピル、ｎ‐酢酸ブチル、ｎ‐酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、酢酸ベンジル、酢酸フェニルおよび類似化合物を含む。
水素化分解反応は、大型または重質炭化水素分子が小型または軽質炭化水素分子に分解され、水素と反応する大型炭化水素分子の分解的水素化（水素化分解）を含んでもよい。炭化水素反応体を第一の反応体と呼び、水素を第二の反応体と呼んでもよい。本明細書では、用語「軽質」および「重質」は石油精製業界内の通常の意味で用いられ、比較的低沸点範囲および高沸点範囲をそれぞれ指す。炭化水素反応体は、水素化分解を必要とする任意の炭化水素を含んでもよい。炭化水素反応体は、ナフサから重質原油残渣留分まで変化してもよい。炭化水素反応体は、約３５０°Ｆ（１７７℃）より高い、一実施態様では約４００°Ｆ（２０４℃）より高い５体積％沸点を有するとよい。一実施態様では、炭化水素反応体の少なくとも約９０体積％は、約３００°Ｆ（１４９℃）から約１０５０°Ｆ（５６６℃）、一実施態様では約６００°Ｆ（３１６℃）から約１０００°Ｆ（５３８度Ｃ）の間の沸点範囲にあるとよい。炭化水素反応体は、常圧ガス油および真空ガス油（ＡＧＯおよびＶＧＯ）など、一つ以上の石油留分を含んでもよい。
炭化水素反応体は、重質炭化水素系鉱物または合成油、またはそれらの一つ以上の留分の混合物を含んでもよい。炭化水素反応体は、一つ以上の直留ガス油、真空ガス油、脱金属油、脱アスファルテン真空残渣、コークス化装置留出分、接触分解装置留出分、シェール油、タールサンド油、石炭液化物、またはそれらの二種類以上の混合物を含んでもよい。
水素化分解反応において用いられる水素は、水素ガスの形であってもよく、水、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素および／または窒素をさらに含む水素原料流の中に含まれてもよい。水素は、水蒸気改質プロセス（約３のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、部分酸化プロセス（約２のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、自己熱改質プロセス（約２．５のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、ＣＯ２改質プロセス（約１のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、石炭ガス化プロセス（約１のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）およびそれらの組み合わせなど、別のプロセスのプロセス流から取ってもよい。これらの水素源のそれぞれの場合に、膜分離または吸着などの従来の技法を用いて水素を他の原料から分離するとよい。
これらの水素化分解反応における水素に対する炭化水素反応体のモル比は、約０．１：１から約１０：１、一実施態様では約０．５：１から約５：１の範囲にあるとよい。
水素化分解触媒は、任意の水素化分解触媒であってよい。これらは、βゼオライト、ωゼオライト、Ｌ‐ゼオライト、ＺＳＭ‐５ゼオライトおよびＹ‐型ゼオライトを含むゼオライト触媒を含む。触媒は、アルミナ、マグネシア、シリカ、チタニア、ジルコニアおよびシリカ‐アルミナなどの耐火無機酸化物を含んでもよい。触媒は、水素化成分を含んでもよい。適当な水素化成分の例は、周期律表のＩＶＢ族およびＶＩＩＩ族の金属、ならびにそのような金属の化合物を含む。水素化成分として、モリブデン、タングステン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ロジウムおよびルテニウムを用いてもよい。これらの触媒は、米国特許第６，３１２，５８６号に記載され、参照によって本明細書に組み込まれる。これらの触媒が取り得る形を、下記でさらに詳しく考察する。
水素化分解プロセスによって作られる生成物は、約２６０から約７００°Ｆ（１２７〜３７１℃）の範囲で沸騰する中質留分画分であるとよい。用語「中質留分」は、ディーゼル、ジェット燃料およびケロシン沸点範囲画分を含むものとする。用語「ケロシン」および「ジェット燃料」沸点範囲は、２６０〜５５０°Ｆ（１２７〜２８８℃）の温度領域を指し、「ディーゼル」沸点範囲は、約２６０から約７００°Ｆ（１２７〜３７１℃）の炭化水素沸点を指すものとする。留出分製品は、ガソリンまたはナフサ画分であってもよい。これらは、Ｃ５から４００°Ｆ（２０４℃）終点画分とみなしてよい。
水素化反応は、一つ以上の水素化触媒の存在下での、水素による水素化反応を受けることができる一つ以上の炭化水素化合物の反応を含んでもよい。炭化水素化合物は、第一の反応体と呼んでもよい。これらの炭化水素化合物は、液体の形であってもよく、あるいは液体の中に分散した気体の形であってもよい。液体は、反応体と、一つ以上の別の溶媒を含んでもよい。溶媒は、一つ以上の反応体および／または生成物のための溶媒であってもよい。水素は、第二の反応体と呼んでもよく、気体の形であってもよい。水素は、上記で言及された源の任意のものから導いてもよい。
水素化反応を行うことができる炭化水素化合物は、上記で考察された不飽和炭化水素化合物を含む。炭化水素化合物は、不飽和油脂を含む。油脂は、動物または野菜源から誘導してもよい。油脂は、トリグリセライド、すなわちグリセロールと脂肪酸とのエステルを含む。脂肪酸は一価不飽和であってもよく、あるいは多価不飽和であってもよい。油脂の中の脂肪酸の例は、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、および類似酸を含む。
これらの水素化反応における水素に対する不飽和炭化水素反応体のモル比は、約０．１：１から約１０：１、一実施態様では約０．５：１から約５：１の範囲にあるとよい。
水素化触媒は、任意の水素化触媒であってよい。これらは、周期律表のＩＶＢ族およびＶＩＩＩ族の金属、ならびにそのような金属の化合物を含む。モリブデン、タングステン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ロジウム、レニウムおよびルテニウムを用いるとよい。一実施態様では、触媒は、プロセスマイクロチャネルの壁の上に被覆されるか、あるいはプロセスマイクロチャネル内の固定された担体に接着されたパラジウムを含んでもよい。これらの触媒が取り得る形を、下記でさらに詳しく考察する。
水素化プロセスによって作られる生成物は、第一の反応体として用いられる不飽和炭化水素化合物に対応する飽和または部分飽和炭化水素であってよい。
本プロセスは、植物油を水素化してそれらの飽和度を増加させ、マーガリンなどの食用脂製品を作り出すために用いてもよい。本発明のプロセスの結果得られる物質移動の改善によって、プロセスの選択性が改善され、トリグリセリドのシス異性体のトランス異性体への望ましくない変換の量を減らすこともできる。本発明は、従来技術（すなわち非マイクロチャネルプロセス技術）を用いて得ることができる約３０％から約５０重量％のトランス異性体の生成率を、約１５重量％未満、一実施態様では約１０重量％未満、一実施態様重量では約８重量％未満に改善することができる。本プロセスは、水素化触媒を用いてもよい。触媒は、スラリー、固体粒子または固定床の形であってもよい。
一実施態様では、水素化プロセスは、プロセスマイクロチャネルの内壁の上またはプロセスマイクロチャネル内に配置された担体構造物の上に固定された触媒（例えばパラジウムなどの貴金属）の使用を含んでもよい。これによって、ろ過工程の必要をなくすことができる。これによって、より安全な（触媒汚染がない）、より高純度の生成物が得られる。パラジウムなどの貴金属触媒は、従来技術のニッケル触媒より反応性が高く、従って、従来用いられていたより低温で水素化反応を実行することができる。これによって、本発明のプロセスの結果得られる伝熱の改善と併せて、油脂の熱分解の結果として通常生成する二次生成物の形成を著しく低減することができる。これによっても、食品製品の品質を改善することができる。従来のニッケル触媒と異なり、本発明のプロセスによれば、より低い水素化温度でパラジウム触媒を使用するので、特に比較的短い接触時間で実現することができる高い反応率を用いて、有害なトランス異性体の濃度を減らすことができる。本発明のプロセスの結果得られる物質移動の改善によって、プロセスの選択性を改善することもできる。伝熱および物質移動の改善によって、触媒の安定性およびターンオーバ頻度を改善することができる。これによって、触媒必要量を減らすことができる。貴金属を用いるとき、これは、低い動作温度および圧力によって有利なものとすることができる。一実施態様では、触媒は、コロイド金属酸化物、カーボンブラック、フルフラールアルコール等などの分散剤／結合剤を用いて、プロセスマイクロチャネルの壁および／または表面構成要素の上、またはフィンアセンブリインサートなどの触媒担体の上に分散したパラジウムなど、貴金属のナノスケールサイズの粒子を含んでもよい。触媒は、マイクロチャネルの空洞空間を充填する、触媒金属を被覆したマイクロ形状体を用いて作ってもよい。
水和反応は、水和触媒の存在下で、アルコールまたはエーテルを生成する不飽和炭化水素化合物と水との反応を含んでもよい。不飽和炭化水素化合物は、第一の反応体と呼んでもよく、上記で考察された不飽和炭化水素化合物の任意のものであってよい。水は、第二の反応体と呼んでもよく、任意の簡便な供給源から取ってよい。水は、浸透法または蒸留法を用いて脱イオンまたは精製してもよい。水に対する不飽和炭化水素のモル比は、約０．１から約１０、一実施態様では約０．５から約５の範囲にあるとよい。
水和触媒は、ゼオライトなどの固体酸触媒、スルホン酸基または類似の基を含む酸性イオン交換樹脂、水和酸化ニオブ、水和酸化タンタル、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素またはそれらの混合酸化物などの無機酸化物、またはスメクタイト、カオリンまたはバーミキュライトなどの層状化合物をアルミニウム、ケイ素、チタンおよびジルコニウムの酸化物から選ばれる少なくとも一つの金属酸化物で処理することによって得られるイオン交換型層状化合物を含んでもよい。触媒は、モルデナイト、フォージャサイト、クリノプチライト、Ｌ型ゼオライト、チャバサイト、エリオナイトおよびフェリエライトなどのアルミノケイ酸塩ならびにゼオライト製品ＺＳＭ‐５、ＺＳＭ‐４、ＺＳＭ‐８、ＺＳＭ‐１１、ＺＳＭ‐１２、ＺＳＭ‐２０、ＺＳＭ‐４０、ＺＳＭ‐３５およびＺＳＭ‐４８を含んでもよい。触媒は、ホウケイ酸塩、ガロケイ酸塩およびフェロアルミノケイ酸塩などの元素含有ゼオライトを含んでもよい。これらのゼオライトは、トリウム、銅、銀、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよび類似の元素を含んでもよい。プロトン交換型（Ｈ型）ゼオライトを用いてもよく、それらの一部分が、Ｎａ、ＫおよびＬｉなどのアルカリ元素、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒなどのアルカリ土類およびＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＲｕまたはＰｄなどのＶＩＩＩ族元素から選ばれるカチオン化学種で交換されてもよい。触媒が取り得る形を、下記でさらに詳しく考察する。
カルボニル化反応は、カルボニル化触媒の存在下での飽和または不飽和炭化水素の一酸化炭素との反応を含んでもよい。飽和または不飽和炭化水素反応体は、第一の反応体と呼んでもよく、上記で考察された飽和または不飽和炭化水素の任意のものであってよい。一酸化炭素は、第二の反応体と呼んでもよく、任意の供給源から取ってよい。一酸化炭素は、水蒸気改質プロセス（約３のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、部分酸化プロセス（約２のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、自己熱改質プロセス（約２．５のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、ＣＯ２改質プロセス（約１のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）、石炭ガス化プロセス（約１のＨ２／ＣＯモル比を有する生成物流）およびそれらの組み合わせなどのプロセス流から取ってもよい。これらの一酸化炭素源のそれぞれを用いるとき、膜または吸着などの通常の技法を用いて一酸化炭素を残りの成分から分離してもよい。
これらのカルボニル化反応における一酸化炭素に対する炭化水素反応体のモル比は、約０．５：１から約２０：１、一実施態様では約２：１から約１０：１の範囲にあるとよい。
カルボニル化触媒は、任意のカルボニル化触媒であってよい。これらは、固体酸触媒を含む。触媒は、相互作用するプロトン酸部位とルイス酸部位とを含む固体であってもよい。触媒は、ブレンステッド（プロトン）酸とルイス酸との組み合わせを含んでもよい。例は、硫酸化金属酸化物（例えば硫酸化ジルコニア）、担体（例えば金属酸化物および炭素）と組み合わせたフルオロカーボンスルホン酸類（Ｂ（ＣＦ２）ｎＢＳＯ３Ｈ）、ヘテロポリ酸、Ｔａ、Ｓｂ、ＧａおよびＢのハロゲン化物、ハロゲン化金属酸化物、硫酸化ゼオライト、フルオロスルホン酸樹脂と組み合わせたＴａ、Ｓｂ、ＧａおよびＢのハロゲン化物を含む。金属酸化物は、一成分酸化物および多成分酸化物、すなわち混合金属酸化物を含む。一成分金属酸化物は、アルミナ類、シリカ類、ジルコニア、チタニアおよびそれらの混合物を含む。混合金属酸化物は、物理的混合物であってもよく、あるいは構造的に結合していてもよい。混合金属酸化物の例は、ＺｒＣＴｉ、ＷＣＺｒ、ＴｉＣＣｕ、ＴｉＣＺｎ、ＴｉＣＳｉ、ＡｌＣＺｒ、ＦｅＣＺｒおよびＴｉＣＭｎ酸化物を含む。例は、硫酸化ジルコニア、硫酸化チタニア、硫酸化酸化タングステン、フッ素化アルミナ上のＢＦ３、塩素化アルミナ上の塩化アルミニウム、Ｈ３ＰＷ１０Ｏ４０、Ｃｓ２．５Ｈ０．５ＰＷ１２Ｏ４０、Ｈ４ＳｉＷ１２Ｏ４０および類似物を含む。これらの触媒が取り得る形を、下記でさらに詳しく考察する。
スルホン化反応は、水素原子のＳＯ３Ｈ基（硫酸からの）置換、例えばベンゼンＣ６Ｈ６のベンゼンスルホン酸Ｃ６Ｈ５ＳＯ３Ｈへの変換を含んでよい。用いることができるスルホン化手順は、芳香族炭化水素と硫酸、三酸化硫黄またはクロロ硫酸との反応、有機ハロゲン化合物と無機亜硫酸塩との反応、および特定の種類の有機硫黄化合物、例えばチオールまたはジスルフィドの酸化を含む。
芳香族化合物の芳香族環にスルホン酸基を導入することによって芳香族化合物をスルホン化するための試薬として、濃硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン酸、無水硫酸、ジオキサンとＳＯ３との付加体、アミンとＳＯ３との付加体等を用いるとよい。芳香族アミン化合物は、芳香族アミン化合物と化学量論量の硫酸とからアミンの酸性硫酸塩を調製し、加熱してアミンスルホン酸を得ることによってスルホン化してもよい。
硫酸化反応は、硫酸のエステルまたは塩（サルフェート）が形成される方法を含んでもよい。エステルは、アルコールを硫酸、三酸化硫黄、クロロ硫酸またはスルファミン酸で処理することによって調製してもよい。硫酸化試薬は、濃硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、クロロスルホン酸またはスルファミン酸を含んでもよい。
一実施態様では、本発明のプロセスは、例えば、図２〜１１に例が示されるマイクロチャネル反応器の中で実行するとよい。図２を参照すると、本プロセスは、マイクロチャネル反応器１００を用いて実行することができる。マイクロチャネル反応器１００は、マイクロチャネル反応器コア１０２、原料流ヘッダ１０４、生成物フッタ１０６および熱交換マニホルド１０８を含む。反応器コア１０２は、一つ以上の繰り返し単位を含んでもよく、繰り返し単位のそれぞれは、一つ以上のプロセスマイクロチャネルを含んでもよい。原料流ヘッダ１０４は、第一の反応体をプロセスマイクロチャネルに、第二の反応体を第二の反応体流チャネルに分配するために用いてもよく、あるいは、多相反応混合物を形成させ、多相反応混合物をプロセスマイクロチャネルに分配するために用いてもよい。多相反応混合物の形成は、原料流ヘッダ１０４とプロセスマイクロチャネルとの両方の中で起こってもよい。
一実施態様では、原料流ヘッダは、第一の反応体区域、少なくとも一つの第二の反応体区域、および第一の反応体区域と第二の反応体区域との間に配置された開口区間を含んでもよい。第二の反応体は、第二の反応体区域から開口区間を通って第一の反応体区域に流れ込み、そこで第一の反応体と接触し、多相反応混合物を形成してもよい。多相反応混合物は、第一の反応体区域からプロセスマイクロチャネルに流れ込み、そこで触媒と接触し、反応して生成物を形成してもよい。
一実施態様では、各プロセスマイクロチャネルは、少なくとも一つの開口区間と、少なくとも一つの隣接する第二の反応体流チャネルとを有してもよい。開口区間は、プロセスマイクロチャネルの一つ以上の側壁の中に配置するとよい。開口区間は、プロセスマイクロチャネルの軸方向長さの少なくとも一部に沿って延在するとよい。第二の反応体は、第二の反応体流チャネルの中を流れ、そこから開口区間へ流れ込み、開口区間を通ってプロセスマイクロチャネルに流れ込み、そこで第一の反応体と接触し、多相反応混合物を形成してもよい。多相反応混合物は、プロセスマイクロチャネルの中で触媒と接触し、反応して生成物を形成してもよい。
プロセスマイクロチャネルは、反応体が反応して所望の生成物を形成する一つ以上の反応区域を含んでもよい。一実施態様では、これらの反応区域の一つ以上の中に、固体形の触媒が存在してもよい。一実施態様では、反応体の一つ以上とともに液体形の触媒が反応区域中に流れ込んでもよく、および／または、別個の原料流として触媒が反応区域に流れ込んでもよい。
第一の反応体と第二の反応体とは、プロセスマイクロチャネルの中で一つ以上触媒の存在下、互いに反応して所望の生成物を形成してもよい。生成物は、プロセスマイクロチャネルから生成物フッタ１０６に流れ込み、生成物フッタ１０６を通って、矢印１１４で示されるように、生成物フッタ１０６から反応器から流れ出てもよい。この生成物フッタ１０６は、プロセスマイクロチャネルから生成物を集めるために用いてもよい。本発明のプロセスの一利点は、マイクロチャネル反応器を通って一回通過すると所望の生成物への高いレベルの反応率を得ることができる点であるが、一実施態様では、従来の技法またはマイクロチャネル技法を用いて一つ以上の未反応反応体を生成物から分離し、マイクロチャネル反応器を通して戻し、リサイクルさせてもよい。未反応反応体は、マイクロチャネル反応器を通して任意の回数、例えば、１回、２回、３回、４回以上等、リサイクルさせてもよい。
反応プロセスは、発熱性でもよく、あるいは吸熱性でもよい。反応を制御するために、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルと発熱源および／または吸熱源との間で熱が移動してもよい。すなわち、本発明のプロセスの間に、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルを、発熱源を用いて加熱してもよく、および／または吸熱源を用いて冷却してもよい。発熱源および／または吸熱源は、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルに隣接してもよい。あるいは、発熱源および／または吸熱源は、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルから離れ、すなわち隣接していないが、発熱源および／または吸熱源とプロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルとの間で熱を移動させるように、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルに十分に近くてもよい。
発熱源および／または吸熱源は、熱交換流体を含む一つ以上の熱交換チャネルを含んでもよい。発熱源は、電熱素子または抵抗加熱器などの非流体加熱素子を含んでもよい。吸熱源は、非流体冷却素子を含んでもよい。一実施態様では、矢印１１６で示されるように、熱交換流体が熱交換マニホルド１０８に流れ込み、熱交換マニホルド１０８から反応器コア１０２の中の熱交換チャネルを通って熱交換マニホルド１０８へ戻り、矢印１１８で示されるように、熱交換マニホルド１０８から出る。対流伝熱を用いて、反応体と生成物との間の伝熱を実現するとよい。一実施態様では、熱交換流体を用いて伝熱を促進してもよく、熱交換流体は、発熱反応または吸熱反応および／または完全または部分相変化を行う。プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの長さに沿って、さまざまな位置でさまざまな温度を提供するために、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの長さに沿って、複数の熱交換区域を使用してもよい。一実施態様では、熱交換チャネルは、２つ以上のプロセスマイクロチャネル、例えば３つ、４つ、５つ、６つのプロセスマイクロチャネル等、と熱を交換してもよい。
マイクロチャネル反応器１００は、一つ以上の貯槽、ポンプ、バルブ、マニホルド、マイクロプロセッサ、流量制御デバイスおよび類似部品と組み合わせて用いてもよい。これらは、図面に示されていないが、当業者には自明と考えられる。図３〜１１に、反応器コア１０２の中で用いることができる繰り返し単位の例が示される。
図３は、反応器コア１０２の中で用いることができる繰り返し単位２００の例を示す。繰り返し単位２００は、プロセスマイクロチャネル２１０、熱交換チャネル２２０、第二の反応体流チャネル２４０および開口区間２５０を含む。共通壁２４１がプロセスマイクロチャネル２１０と第二の反応体流チャネル２４０とを分離する。開口区間２５０は、シートまたはプレート２５６の中に形成された開口２５２を含み、共通壁２４１の中に配置される。プロセスマイクロチャネル２１０は、混合区域２１１と反応区域２１２とを有する。反応区域２１２の中に、触媒２１５が配置される。混合区域２１１は、反応区域２１２の上流にある。第一の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通り、そこから、矢印２１４で示されるように、プロセスマイクロチャネル２１０に流れ、混合区域２１１に流れ込む。第二の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通り、そこから、矢印２４２で示されるように、第二の反応体流チャネル２４０に流れ込み、矢印２５４で示されるように、第二の反応体流チャネル２４０から開口２５２を通って混合区域２１１に流れ込む。矢印２４２で示される第二の反応体流チャネル２４０の中の第二の反応体の流れの方向は、矢印２１４で示されるプロセスマイクロチャネル２１０の中の第一の反応体の流れの方向と並流である。あるいは、第二の反応体流チャネル２４０の中の第二の反応体の流れは、プロセスマイクロチャネル２１０の中の第一の反応体の流れに対して向流または交差流であってもよい。第一の反応体と第二の反応体とは、混合区域２１１の中で互いと接触し、反応体混合物を形成する。反応体混合物は、混合区域２１１から反応区域２１２に流れ込み、触媒２１５と接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、矢印２１６で示されるように、プロセスマイクロチャネル２１０から出る。プロセスマイクロチャネル２１０から出る生成物は、生成物フッタ１０６を通り、矢印１１４で示されるように、マイクロチャネル反応器１００から出る。熱交換流体が熱交換マニホルド１０８から熱交換チャネル２２０を通って流れてから、熱交換マニホルド１０８へ戻る。熱交換チャネル２２０を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル２１０を通って流れる流体の流れに対して並流または向流であってよい。あるいは、熱交換チャネル２２０は、プロセスマイクロチャネル２１０を通る流体の流れに対して交差流となる方向の熱交換流体の流れを提供するように配向してもよい。
図３に例が示される繰り返し単位２００の代替実施態様では、混合区域２１１と反応区域２１２との間のプロセスマイクロチャネル２１０の中に補助混合区域が設けられてもよい。補助混合区域の中の混合のための滞留時間は、標準条件の温度（すなわち０℃）および圧力（すなわち大気圧）での、開口区間２５０を通る流量とプロセスマイクロチャネル２１０の中の第一の反応体原料流の流量との総和と、混合区域２１１の末端と反応区域２１２の始端との間のプロセスマイクロチャネル２１０によって定められる体積とを用いて定めるとよい。補助混合区域の中の混合のためのこの滞留時間は、最大約５０００ミリ秒（ｍｓ）、一実施態様では約０．２５ｍｓから約１０００ｍｓ、一実施態様では約０．２５ｍｓから約５００ｍｓ、一実施態様では約０．２５から約２５０ｍｓ、一実施態様では約０．２５から１００ｍｓ、一実施態様では約０．２５から約５０ｍｓ、一実施態様では約０．２５から約２５ｍｓ、一実施態様では約０．２５から約１０ｍｓ、一実施態様では約０．２５ｍｓから約２．５ｍｓの範囲にあるとよい。
図４に例が示される繰り返し単位２００Ａは、繰り返し単位２００Ａが別個の混合区域２１１を含まない点を除けば、図３に例が示される繰り返し単位２００と同一である。繰り返し単位２００Ａでは、第二の反応体は、開口区間２５０を通って反応区域２１２に流れ込み、第一の反応体と接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、次に、矢印２１６で示されるように、プロセスマイクロチャネル２１０から流れ出る。
図５に例が示される繰り返し単位２００Ｂは、第二の反応体の一部が混合区域２１１の中で第一の反応体と混合され、第二の反応体の残りは反応区域２１２の中で第一の反応体と混合される点を除けば、図３に例が示される繰り返し単位２００と同一である。混合区域２１１の中で第一の反応体と混合される第二の反応体の量は、第二の反応体の約１％から約９９体積％、一実施態様では約５％から約９５体積％、一実施態様では約１０％から約９０体積％、一実施態様では約２０％から約８０体積％、一実施態様では約３０％から約７０体積％、一実施態様では第二の反応体の約４０％から約６０体積％であるとよい。第二の反応体の残りは、反応区域２１２の中で第一の反応体と混合される。
図６に例が示される繰り返し単位２００Ｃは、繰り返し単位２００Ｃが熱交換チャネル２２５を含む点を除けば、図４に例が示される繰り返し単位２００と同一である。熱交換チャネル２２５を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル２１０を通る流体の流れに対して並流または向流であってよい。あるいは、熱交換チャネル２２５は、プロセスマイクロチャネル２１０を通る流体の流れに対して交差流となる方向の熱交換流体の流れを提供するように配向してもよい。
図７に例が示される繰り返し単位３００は、液体触媒を用いて本発明のプロセスを実行するのに適する。繰り返し単位３００は、マイクロチャネル３１０、熱交換チャネル３２０、第二の反応体流チャネル３４０および開口区間３５０を含む。共通壁３４１がプロセスマイクロチャネル３１０と第二の反応体流チャネル３４０とを分離する。開口区間３５０は、シートまたはプレート３５６の中に形成された開口３５２を含み、共通壁３４１の中に配置される。プロセスマイクロチャネル３１０は、開口区間３５０に隣接する反応区域３１２を含む。反応区域３１２は、プロセスマイクロチャネル３１０の長さ全体にわたって延在してもよく、あるいは、その長さは、プロセスマイクロチャネル３１０の長さより小さくてもよい。動作時、第一の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通り、そこから、矢印３１４で示されるように、プロセスマイクロチャネル３１０に流れ、反応区域３１２に流れ込む。第二の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通り、そこから、矢印３４２で示されるように、第二の反応体流チャネル３４０に流れ込み、第二の反応体流チャネル３４０から開口３５２を通って、矢印３５４で示されるように、反応区域３１２に流れ込む。液体触媒は、第一の反応体および／または第二の反応体と予め混合されるとよい。矢印３４２で示される第二の反応体流チャネル３４０の中の第二の反応体の流れの方向は、矢印３１４で示されるプロセスマイクロチャネル３１０の中の第一の反応体の流れの方向と並流である。あるいは、第二の反応体流チャネル３４０の中の第二の反応体の流れは、プロセスマイクロチャネル３１０の中の第一の反応体の流れに対して向流または交差流であってもよい。第一の反応体と第二の反応体とは、反応区域３１２の中で互いに、および触媒と接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、矢印３１６で示されるように、プロセスマイクロチャネル３１０から出る。プロセスマイクロチャネル３１０から出る生成物は、生成物フッタ１０６を通り、矢印１１４で示されるように、マイクロチャネル反応器１００から出る。熱交換流体が熱交換マニホルド１０８から熱交換チャネル３２０を通って流れてから、熱交換マニホルド１０８へ戻る。熱交換チャネル３２０を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル３１０を通って流れる流体の流れに対して並流または向流であってよい。あるいは、熱交換チャネル３２０は、プロセスマイクロチャネル３１０を通る流体の流れに対して交差流となる方向の熱交換流体の流れを提供するように配向してもよい。
図８に例が示される繰り返し単位３００Ａは、繰り返し単位３００Ａが多段添加液体触媒チャネル３６０と開口区間３７０とをさらに含む点を除けば、図７に例が示される繰り返し単位３００と同様である。共通壁３７１がプロセスマイクロチャネル３１０と多段添加液体触媒チャネル３６０とを分離する。開口区間３７０は、シートまたはプレート３７６の中に形成された開口３７２を含み、共通壁３７１の中に配置される。プロセスマイクロチャネル３１０は、開口区間３５０に隣接する混合区域３１１と、開口区間３７０に隣接する反応区域３１２とを有する。混合区域３１１は、反応区域３１２の上流にある。第一の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通って流れ、そこから、矢印３１４で示されるように、プロセスマイクロチャネル３１０に流れ、混合区域３１１に流れ込む。第二の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通って流れ、そこから、矢印３４２で示されるように、第二の反応体流チャネル３４０に流れ、第二の反応体流チャネル３４０から開口３５２を通って、矢印３５４で示されるように、混合区域３１１に流れ込む。矢印３４０で示される第二の反応体流チャネル３４０の中の第二の反応体の流れの方向は、矢印３１４で示されるプロセスマイクロチャネル３１０の中の第一の反応体の流れの方向と並流である。あるいは、第二の反応体流チャネル３４０の中の第二の反応体の流れは、プロセスマイクロチャネル３１０の中の第一の反応体の流れに対して向流または交差流であってもよい。第一の反応体と第二の反応体とは、混合区域３１１の中で互いと接触し、反応体混合物を形成する。反応体混合物は、混合区域３１１から反応区域３１２へ流れる。液体触媒は、矢印３６２で示されるように、多段添加液体触媒チャネル３６０に流れ込み、多段添加液体触媒チャネル３６０から開口３７２を通って、矢印３７４で示すように、反応区域３１２に流れ込む。矢印３６２で示される多段添加液体触媒チャネル３６０の中の液体触媒の流れの方向は、矢印３１４で示されるプロセスマイクロチャネル３１０の中の第一の反応体の流れの方向に対して向流である。あるいは、多段添加液体チャネル３６０の中の液体触媒の流れは、プロセスマイクロチャネル３１０の中の第一の反応体の流れに対して並流または交差流であってもよい。液体触媒は、反応区域３１２の中で反応体混合物と接触する。反応体混合物は、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、矢印３１６で示されるように、プロセスマイクロチャネル３１０から出る。プロセスマイクロチャネル３１０から出る生成物は、生成物フッタ１０６を通り、矢印１１４で示されるように、マイクロチャネル反応器１００から出る。熱交換流体が熱交換マニホルド１０８から熱交換チャネル３２０を通って流れてから、熱交換マニホルド１０８へ戻る。熱交換チャネル３２０を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル３１０を通って流れる流体の流れに対して並流または向流であってよい。あるいは、熱交換チャネル３２０は、プロセスマイクロチャネル３１０を通る流体の流れに対して交差流となる方向の熱交換流体の流れを提供するように配向してもよい。
図９に例が示される繰り返し単位４００は、プロセスマイクロチャネル４１０、開口区間４４０および４４０ａ、第二の反応体流チャネル４７０および４７０ａ、ならびに熱交換チャネル４９０を含む。開口区間４４０は側壁４１２の中に形成され、開口区間４４０ａは側壁４１４の中に形成される。開口区域４４０および４４０ａは、多孔質区間または多孔質基板と呼んでもよい。第二の反応体流チャネル４７０および４７０ａは、開口区間４４０および４４０ａを通ってそれぞれプロセスマイクロチャネル４１０に開く。開口区間４４０は、全体に広がる開口のアレイ４４４を有するシートまたはプレート４４２を含むとよい。同様に、開口区間４４０ａは、全体に広がる開口のアレイ４４４ａを有するシートまたはプレート４４２ａを含むとよい。プロセスマイクロチャネル４１０は、非開口または非多孔質領域４１１および反応区域４１３を有する。非開口領域４１１は、プロセスマイクロチャネル４１０への入口から反応区域４１３への入口まで延在する。非開口領域４１１は、反応区域４１３の上流にある。反応区域４１３は、開口区間４４０および４４０ａに隣接する。反応区域４１３の中に、触媒４１５が配置される。反応区域４１３の端からプロセスマイクロチャネル４１０の端まで非開口領域４１７が延在する。非開口領域４１１は、反応区域４１３の下流にある。第二の反応体流チャネル４７０ａに隣接して、熱交換チャネル４９０がある。動作時、原料流ヘッダ１０４を通って第一の反応体流が流れ、そこから、矢印４１６で示されるように、プロセスマイクロチャネル４１０に流れ込み、次に、非開口領域４１１を通って反応区域４１３に流れ込む。原料流ヘッダ１０４を通って、矢印４７４で示されるように、第二の反応体流が第二の反応体流チャネル４７０に流れ込み、そこから、矢印４７２で示されるように、開口区間４４０を通って反応区域４１３に流れ込む。原料流ヘッダ１０４を通って、矢印４７２で示されるように、第二の反応体流が第二の反応体流チャネル４７０に流れ込み、そこから、矢印４７４で示されるように、開口区間４４０を通って反応区域４１３に流れ込む。チャネル４７０を通って流れる第二の反応体流は、チャネル４７０ａを通って流れる別の第二の反応体流の組成および／または物理的性質と同じ組成および／または物理的性質を有してもよい。あるいは、組成および／または物理的性質は、異なっていてもよい。例えば、チャネル４７０を通って流れる第二の反応体流は気体の形であってもよく、チャネル４７０ａを通って流れる別の第二の反応体流は液体の形であってもよい。第二の反応体の一方は、一方の反応体（例えば水蒸気）を含み、第二の反応体の別の方は別の反応体（例えば一酸化炭素）を含むとよい。反応区域４１３の中で、第二の反応体と別の第二の反応体とは、第一の反応体および触媒４１５と接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、非開口領域４１７を通って流れ、矢印４１８で示されるように、プロセスマイクロチャネル４１０から出る。プロセスマイクロチャネル４１０から出る生成物は、生成物フッタ１０６を通って流れ、矢印１１４で示されるように、マイクロチャネル反応器１００から出る。加熱または冷却を使用してもよい。加熱または冷却が望ましいとき、熱熱交換流体が交換マニホルド１０８から熱交換チャネル４９０を通って流れてから、熱交換マニホルド１０８へ戻る。熱交換流体は、チャネル４１０、４７０および４７０ａの中の流体を加熱するか、あるいは冷却する。熱交換チャネル４９０を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル４１０の中の第一の反応体の流れに対して、並流、向流、または、交差流であってよい。加熱または冷却の度合いは、チャネルの長さにわたって変化してもよい。加熱または冷却は、プロセスマイクロチャネル４１０および／または第二の反応体流チャネル４７０および４７０ａのいくつかの区間の中では無視できるか、あるいは存在しなくてもよく、その他の区間の中では中程度または比較的高くてもよい。
一実施態様では、単一のマイクロチャネル反応器内で複数の生成物を生成させるために、複数の反応体調合物および／またはプロセス条件の組を用いてもよい。例えば、単一のマイクロチャネルミキサ内で、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、数１０、数１００、数１０００、数万、数１０万等の異なる生成物を作るために、単一のマイクロチャネルミキサが二つ以上のプロセスマイクロチャネルと、関連する第二の反応体流チャネルと、熱交換チャネルとを使用してもよい。この種類の反応器をコンビナトリアル合成デバイスと呼んでもよい。図１０に、これが示され、繰り返し単位５００の例が示される。繰り返し単位５００は、４つのプロセスマイクロチャネルを使用し、その結果、最大４種類の別種の生成物を生成させることができる。繰り返し単位５００は、上記で示された複数の生成物の可能性を提供するために、任意の所望回数、例えば２回、３回、４回、５回、６回、７回、８回、９回、１０回、数１０回、数１００回、数１０００回、数万回等繰り返すことができる。繰り返し単位５００は、プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０、第二の反応体流チャネル５５０および５６０、ならびに熱交換チャネル５７０および５８０を含む。側壁５１２の中に開口区間５１１が形成される。側壁５２２の中に開口区域５２１が形成される。側壁５３２の中に開口区域５３１が形成される。側壁５４２の中に開口区間５４１が形成される。開口区間５１１、５２１、５３１および５４１の中に、開口５１３、５２３、５３３および５４３がそれぞれ配置され、それぞれの開口区間全体に延在する。プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０は、反応区域５１５、５２５、５３５および５４５をそれぞれ含む。反応区域５１５、５２５、５３５および５４５の中に、触媒５１９、５２９、５３９および５４９がそれぞれ配置される。開口区間５１１、５２１、５３１および５４１に隣接して、混合区域５１５、５２５、５３５および５４５がそれぞれ配置される。プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０は、反応区域５１５、５２５、５３５および５４５のそれぞれ上流に配置された非開口区間５１４、５２４、５３４および５４４を含む。プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０は、反応区域５１５、５２５、５３５および５４５のそれぞれ下流に配置された非開口区間５１６、５２６、５３６および５４６も含む。動作時、原料流ヘッダ１０４を通って第一の反応体流が流れ、そこから、矢印５１７、５２７、５３７および５４７でそれぞれ示されるように、プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０に流れ込む。プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０に入る第一の反応体流は、互いに同じ組成および／または性質、あるいは互いに異なる組成および／または性質を有してもよい。第一の反応体流は、非開口区間５１４、５２４、５３４および５４４に流れてから、反応区域５１５、５２５、５３５および５４５にそれぞれ流れ込む。原料流ヘッダ１０４を通って第二の反応体流が流れ、そこから、矢印５５１および５６１で示されるように、第二の反応体流チャネル５５０および５６０に流れ込む。第二の反応体流チャネル５５０に入る第二の反応体流は、第二の反応体流チャネル５６０に入る第二の反応体流と同じ組成および／または性質を有してもよく、あるいは、異なる組成および／または性質を有してもよい。第二の反応体流チャネル５５０に入る第二の反応体流は、矢印５５１で示されるように、開口区間５１１および５２１を通って流れ、矢印５５２および５５３で示されるように、反応区域５１５および５２５にそれぞれ流れ込む。反応区域５１５および５２５の中で、第二の反応体は、第一の反応体および触媒と接触し、反応して生成物を形成する。同様に、矢印５６１で示されるように、第二の反応体流チャネル５６０に第二の反応体流が流れ込み、次に、矢印５６２および５６３で示されるように、開口区間５３１および５４１を通って反応区域５３５および５４５にそれぞれ流れ込む。反応区域５３５および５４５の中で、第二の反応体は、第一の反応体および触媒と接触し、反応して生成物を形成する。反応区域５１５、５２５、５３５および５４５の中で形成される生成物は、同じであってもよく、あるいは異なっていてもよい。異なる場合、生成物は、互いに組成および／または物理的性質が異なっていてもよい。生成物は、矢印５１８、５２８、５３８および５４８で示されるように、反応区域５１５、５２５、５３５および５４５から、非開口区間５１６、５２６、５３６および５４６を通って、プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０からそれぞれ出る。プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０から出る生成物は、矢印１１４で示されるように、生成物フッタ１０６を通って流れ、マイクロチャネル反応器１００から流れ出る。熱交換チャネル５７０および５８０を用いる加熱または冷却を使用してもよい。加熱または冷却が使用されるとき、熱交換マニホルド１０８から熱交換流体が熱交換チャネル５７０および５８０を通って流れてから、熱交換マニホルド１０８へ戻る。熱交換流体は、熱交換チャネル５７０および５８０を通って、矢印５７１および５７２、ならびに５８１および５８２でそれぞれ示されるように、プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０を通る第一の反応体の流れに対して並流の方向に流れる。あるいは、熱交換チャネル５７０および５８０を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル５１０、５２０、５３０および５４０の中の第一の反応体の流れに対して向流または交差流であってもよい。熱交換流体は、チャネル５１０、５２０、５３０、５４０、５５０および５６０の中の流体を加熱するか、あるいは冷却する。加熱または冷却の度合いは、チャネルのそれぞれの長さにわたって変化してもよい。加熱または冷却は、プロセスチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルのいくつかの区間では無視できるか、あるいは存在しなくてもよく、他の区間では中程度または比較的高くてもよい。本発明のこの実施態様の利点は、同じ装置を用いて同時に複数の製品の形成および評価を提供することができる点である。これは、新製品の候補として複数の製剤をスクリーニングすることが望まれるとき、利点とすることができる。
図１１に例が示される繰り返し単位６００は、プロセスマイクロチャネル６１０、第二の反応体流チャネル６２０および６３０、ファインセラミック膜の形であってもよい開口区間６４０および６５０、マクロ多孔質担体の形であってもよい開口区間６６０および６７０、ならびに熱交換チャネル６８０を含む。プロセスマイクロチャネル６１０の反応区域６１５の中に、触媒６１６が配置される。動作時、第一の反応体は、原料流ヘッダ１０４を通って流れ、矢印６１２で示されるように、プロセスマイクロチャネル６１０に入る。第二の反応体流は、原料流ヘッダ１０４を通って流れ、矢印６２２および６３２で示されるように、第二の反応体流チャネル６２０および６３０にそれぞれ入る。第二の反応体流の一つが、第二の反応体流チャネル６２０から、開口区間６６０を通って流れ、次に、開口区間６４０を通ってプロセスマイクロチャネル６１０に流れ込む。同様に、別の第二の反応体流が、開口区間６７０を通って流れ、次に、開口区間６５０を通ってプロセスマイクロチャネル６１０に流れ込む。これらの二つの第二の反応体流は、組成および／または性質が同じであってもよく、あるいは異なっていてもよい。例えば、第二の反応体流の一方は気体の形であってもよく、他方は液体の形であってもよい。第一の反応体と第二の反応体とは、プロセスマイクロチャネル６１０の中で混合され、触媒６１６と接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、矢印６１４で示されるように、プロセスマイクロチャネル６１０から出る。プロセスマイクロチャネル６１０から出る生成物は、生成物フッタ１０６を通って流れ、矢印１１４で示されるように、マイクロチャネル反応器１００から出る。反応体流および生成物流は、熱交換チャネル６８０の中の熱交換流体で加熱するか、あるいは冷却してもよい。熱交換流体は、熱交換マニホルド１０８から熱交換６８０を通って流れてから、熱交換マニホルド１０８へ戻る。熱交換チャネル６８０を通る熱交換流体の流れは、プロセスマイクロチャネル６１０の中の第一の反応体の流れに対して並流、向流または交差流であってよい。
一実施態様では、本発明のプロセスは、例えば、図３２〜３６に例が示されるように、マイクロチャネル反応器の中で実行してもよい。図３２を参照すると、本プロセスは、マイクロチャネル反応器９００を用いて実行してもよい。マイクロチャネル反応器９００は、マイクロチャネル反応器コア９０２、原料流ヘッダ９０４、生成物フッタ９０６および熱交換マニホルド９０８を含む。図３３に例が示されるマイクロチャネル反応器９００Ａは、マイクロチャネル反応器９００Ａが原料流ヘッダ９０４ではなく、原料流ヘッダ９０４Ａを使用する点を除けば、図３２に例が示されるマイクロチャネル反応器９００と同じである。原料流ヘッダ９０４と９０４Ａとは、設計および動作が類似している。下記に、これらのヘッダの設計および動作がさらに詳細に説明される。マイクロチャネル反応器９００および９００Ａの中の反応器コア９０２は、図３４〜３６にそれぞれ例が示される繰り返し単位９１０、９１２および／または９１４の一つ以上を含んでもよい。
原料流ヘッダ９０４は、第一の反応体区域９２０、第二の反応体区域９２２および９２４、ならびに開口区間９２３および９２５を含む。第一の反応体区域９２０と第二の反応体区域９２２との間に開口区間９２３が配置される。第一の反応体区域９２０と第二の反応体区域９２４との間に開口区間９２５が配置される。原料流ヘッダ９０４Ａは、同様に構築され、第一の反応体区域９２０Ａ、第二の反応体区域９２２Ａおよび９２４Ａ、ならびに開口区間９２３Ａおよび９２５Ａを含む。
動作時、第一の反応体は、矢印９３０で示されるように、第一の反応体区域９２０に流れ込む。第二の反応体は、矢印９３２および９３４で示されるように、第二の反応体区域９２２および９２４にそれぞれ流れ込む。第二の反応体は、第二の反応体区域９２２から開口区間９２３を通って、矢印９３３で示されるように、第一の反応体区域９２０に流れ込む。第二の反応体は、第二の反応体区域９２４から開口区間９２５も通って、矢印９３５で示されるように、第一の反応体区域９２０に流れ込む。第一の反応体区域９２０の中で、第二の反応体は、第一の反応体の中に分散し、多相反応混合物を形成する。第一の反応体区域９２０の中で形成される多相反応混合物は、第一の反応体が連続相を形成する連続相と、第二の反応体が分散相を形成する分散相とを有する。分散相は、連続相の中に分散した気泡および／または液滴の形であってもよい。多相反応混合物は、反応区域９０２を通って流れ、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、矢印９３６で示されるように、生成物フッタ９０６に流れ込み、マイクロチャネル反応器９００から出る。矢印９３７で示されるように、熱交換マニホルド９０８に熱交換流体が入り、反応器コア９０２を通って循環し、熱交換マニホルドに９０８に戻り、矢印９３８で示されるように、熱交換マニホルド９０８から出る。
マイクロチャネル反応器９００Ａの動作は、マイクロチャネル９００の動作に類似している。第一の反応体は、矢印９３０で示されるように、第一の反応体区域９２０Ａに流れ込む。第二の反応体は、矢印９３２および９３４で示されるように、第二の反応体区域９２２Ａおよび９２４Ａにそれぞれ流れ込む。第二の反応体は、第二の反応体区域９２２Ａから開口区間９２３Ａを通って、矢印９３３で示されるように、第一の反応体区域９２０Ａに流れ込む。第二の反応体は、第二の反応体区域９２４Ａから開口区間９２５Ａも通って、矢印９３５で示されるように、第一の反応体区域９２０Ａに流れ込む。第一の反応体区域９２０の中で、第二の反応体は、第一の反応体の中に分散し、多相反応混合物を形成する。第一の反応体区域９２０の中で形成される多相反応混合物は、第一の反応体が連続相を形成する連続相と、第二の反応体が分散相を形成する分散相とを有する。分散相は、連続相の中に分散した気泡および／または液滴の形であってもよい。多相反応混合物は、反応区域９０２を通って流れ、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、生成物フッタ９０６に流れ込み、矢印９３６で示されるように、マイクロチャネル反応器９００から出る。矢印９３７で示されるように、熱交換マニホルド９０８に熱交換流体が入り、反応器コア９０２を通って循環し、熱交換マニホルドに９０８に戻り、矢印９３８で示されるように、熱交換マニホルド９０８から出る。
マイクロチャネル反応器９００および９００Ａは、一つ以上の貯槽、ポンプ、バルブ、マニホルド、マイクロプロセッサ、流量制御デバイスおよび類似装置と組み合わせて用いてもよい。これらの装置は、図面に示していないが、当業者には自明と考えられる。
図３４〜３６に、反応器コア９０２の中で用いることができる繰り返し単位の例が示される。図３４を参照すると、繰り返し単位９１０は、プロセスマイクロチャネル９４０、熱交換チャネル９４２および反応区域９４４を含む。反応区域９４４は、触媒を含む。多相反応混合物は、矢印９４６で示されるように、原料流れヘッダ９０４または９０４Ａからプロセスマイクロチャネル９４０に流れ込む。多相反応混合物は、反応区域９４４の中の触媒と接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、反応区域９４４から流れ、矢印９４８で示されるように、プロセスマイクロチャネル９４０から出る。熱交換チャネル９４２の中に熱交換流体が流れ、プロセスマイクロチャネル９４０と熱を交換する。熱交換チャネル９４２とプロセスマイクロチャネル９４０との間の熱交換の結果、プロセスマイクロチャネル９４０の加熱またはプロセスマイクロチャネル９４０の冷却を行うことができる。熱交換流体は、熱交換チャネル９４２の中を、プロセスマイクロチャネル９４０の中の流体の流れの方向に対して並流、向流または交差流となる方向に流れてよい。
図３５に例が示される繰り返し単位９１２は、繰り返し単位９１２が一つの反応区域ではなく、プロセスマイクロチャネルの中に二つの反応区域９５４および９５５を含む点を除けば、図３４に例が示される繰り返し単位９１０に類似している。繰り返し単位９１２は、プロセスマイクロチャネル９５０と熱交換チャネル９５２とを含む。反応区域９５４および９５５の中で使用することができる触媒は、同じであってもよく、あるいは異なっていてもよい。例えば、反応区域９５４の中で第一の反応を実行し、反応区域９５５の中で別の反応を実行してもよい。動作時、多相反応混合物は、原料流ヘッダ９０４または９０４Ａから、矢印９５６で示されるように、プロセスマイクロチャネル９５０に流れ込む。多相反応混合物は、反応区域９５４を通って流れ、反応して中間生成物を形成する。中間生成物は、次に、矢印９５２で示されるように、反応区域９５５に流れ込む。最終生成物は、反応区域９５５の中で形成され、矢印９５８で示されるように、繰り返し単位９１２から出る。生成物は、繰り返し単位９１２から生成物フッタ９０６に流れ込み、生成物フッタ９０６を通って、矢印９３６で示されるように、マイクロチャネル反応器９００または９００Ａから出る。
図３６に例が示される繰り返し単位９１４は、繰り返し単位９１４が一つのプロセスマイクロチャネルではなく、二つのプロセスマイクロチャネル９６０および９６０Ａを含む点を除けば、図３４に例が示される繰り返し単位９１０に類似している。繰り返し単位９１４は、プロセスマイクロチャネル９６０および９６０Ａ、ならびに熱交換チャネル９６２を含む。プロセスマイクロチャネル９６０および９６０Ａは、反応区域９６４および９６４Ａをそれぞれ含む。動作時、多相反応混合物は、原料流ヘッダ９０４または９０４Ａから、矢印９６６および９６６Ａで示されるように、プロセスマイクロチャネル９６０および９６０Ａにそれぞれ流れ込む。多相反応混合物は、反応区域９６４および９６４Ａを通って流れ、反応して所望の生成物を形成する。生成物は、矢印９６８および９６８Ａで示されるように、繰り返し単位９１４から出る。生成物は、繰り返し単位９１４から生成物フッタ９０６へ流れ、生成物フッタ９０６を通って、矢印９３６で示されるように、マイクロチャネル反応器９００または９００Ａから出る。
一実施態様では、本発明のプロセスは、例えば、図３７および３８に例が示されるマイクロチャネル反応器の中で実行してもよい。図３７を参照すると、本プロセスは、繰り返し単位９７０を用いて実行してもよい。繰り返し単位９７０は、プロセスマイクロチャネル９７２および９７２Ａ、ならびに熱交換チャネル９７６および９７６Ａを含む。繰り返し単位９７０は、入口マニホルド９７１も含んでよい。入口マニホルド９７１は、第一の反応体区域９７５および９７５Ａ、ならびに第二の反応体区域９７７を含む。第二の反応体区域９７７と第一の反応体区域９７５および９７５Ａとの間に、開口区間９７４および９７４Ａがそれぞれ配置される。繰り返し単位９７０は、生成物フッタ９７８および９７８Ａ、ならびにオプションの気体抜き出しフッタ９７９も含む。動作時、第一の反応体は、矢印９８０および９８０Ａで示されるように、第一の反応体区域９７５および９７５Ａに流れ込む。第二の反応体は、矢印９８１で示されるように、第二の反応体区域９７７に流れ込み、そこから、開口区間９７４および９７４Ａを通って、第一の反応体区域９７５および９７５Ａにそれぞれ流れ込む。多相反応混合物は、第一の反応体区域９７５および９７５Ａの中で形成される。多相反応混合物は、連続相の形の第一の反応体と分散相の形の第二の反応体とを含む。分散相は、気泡および／または液滴の形であってもよい。多相反応混合物は、反応区域９７３および９７３Ａに流れ込み、反応して所望の生成物を形成し、生成物フッタ９７８および９７８Ａへ流れ、生成物フッタ９７８および９７８Ａを通って、矢印９８２および９８２Ａで示されるように、マイクロチャネル繰り返し単位９７０から出る。オプションとして、生成物から気体を抜き出してもよい。抜き出された気体は、気体抜き出しフッタ９７９を通って、矢印９８３で示されるように、マイクロチャネル繰り返し単位９７０から出るとよい。液体からの気体の分離を容易にするために、反応区域９７３および９７３Ａの下流のプロセスマイクロチャネル９７２および９７２Ａ内に配置された表面構成要素を用いてもよい。用いることができる表面構成要素は、下記でさらに詳しく考察される。一実施態様では、プロセスマイクロチャネル内の抜き出し区間は、細孔スロートまたは毛管構造物の形であってよく、毛管力によって液体が細孔または構造物の中に保持されるように、液体が小さな細孔または構造物を濡らし、充填する。気体が細孔または構造物の中に引き込まれることがないように、液体の毛管力を気体の突破圧力より高くすることができる。参照によって本明細書に組み込まれる２００５年７月８日出願の米国特許出願第１１／１７７，９４１号に、用いることができる細孔スロート構造物の例が開示されている。
一実施態様では、気体抜き出し区間の下流で別の第二の反応体を加え、第二の反応を進行させることができるように、気体抜き出し区間をプロセスマイクロチャネル内の内部の点に配置してもよい。抜き出された気体は、反応器から取り出してもよく、あるいは、もう一度加圧し、原料流へ戻してリサイクルしてもよい。
図３８は、図３７に例が示されたマイクロチャネル繰り返し単位９７０の一つ以上を収容するために用いることができるマイクロチャネル反応器９９０の例を示す。マイクロチャネル反応器９９０では、第一の反応体は、矢印９９１で示されるように、マイクロチャネル反応器に入り、第二の反応体は、矢印９９２で示されるように入る。生成物は、矢印９９３で示されるように、マイクロチャネル反応器９９０から出る。熱交換流体は、矢印９９４で示されるように、マイクロチャネル反応器９９０に流れ込み、矢印９９５で示されるように、マイクロチャネル反応器９９０から出る。
図３〜１１および３４〜３７のそれぞれで、一つの繰り返し単位（２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、３００、３００Ａ、４００、５００、６００、９１０、９１２、９１４または９７０）しか例が示されていないが、マイクロチャネル反応器コア１０２または９０２、あるいはマイクロチャネル反応器９９０の中で用いることができる繰り返し単位の数に事実上、上限はない。例えば、上記で説明した繰り返し単位の１、２、３、４、５、６、８、１０、２０、５０、１００、数１００、千、数千、１万、数万、１０万、数１０万、数１００万等を用いてもよい。一実施態様では、各繰り返し単位は、マニホルド化してもよい。マニホルド化は、マクロ配管、パイプ配管またはダクト配管を各繰り返し単位に接続することによって実現してもよい。あるいは、各ユニットの間に比較的等しい圧力降下回路を作り出すことによって、繰り返し単位を含むマイクロチャネルミキサ内で、繰り返し単位の多数を内部マニホルド化してもよい。一実施態様では、各繰り返し単位の間の圧力降下は等しくなくてもよく、この実施態様では、ある程度の流量不均衡配分は、生成物の品質に影響せずにすむ。一実施態様では、本発明のプロセスを用いると、最高約５０％の流量不均衡配分は許容できる。繰り返し単位は、横に並べてもよく、あるいは上下に積み重ねてもよい。繰り返し単位は、垂直、水平、または水平からある角度で傾いて配向してよい。
第二の反応体流チャネル（２４０、３４０、４７０、４７０ａ、５５０、５６０、６２０、６３０）および多段添加液体触媒チャネル（３６０）は、マイクロチャネルであってもよいが、マイクロチャネルと呼べないような大きな寸法を有してもよい。プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）、第二の反応体流チャネル（２４０、３４０、４７０、４７０ａ、５５０、５６０、６２０、６３０）および多段添加液体触媒チャネル（３６０）は、最大約１０ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約２ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１．５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約０．５ｍｍの高さまたは幅の少なくとも一方の内部寸法を有するとよい。高さまたは幅は、約０．１５から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．２から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．３から約１０ｍｍの範囲にあるとよい。高さまたは幅は、約０．２から約５ｍｍ、一実施態様では約０．２から約３ｍｍ、一実施態様では約０．３から約２ｍｍの範囲にあるとよい。高さまたは幅の他方の内部寸法は、任意の値であってよく、例えば、最大約１００ｃｍ、一実施態様では約０．０１から約１００ｃｍ、一実施態様では約０．１ｃｍから約１００ｃｍ、一実施態様では約０．１から約７５ｃｍ、一実施態様では約０．１から約５０ｃｍ、一実施態様では約０．２ｃｍから約２５ｃｍの範囲にあるとよい。プロセスマイクロチャネル、第二の反応体流チャネルおよび多段添加液体触媒チャネルの長さは、任意の値であってもよいが、第二の反応体流チャネルおよび多段添加液体触媒チャネルの長さは、図面で示唆されるように、隣接するプロセスマイクロチャネルの長さより小さくてもよい。これらのチャネルのそれぞれの長さは、最大約１０ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約１０ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約５ｍ、一実施態様では１ｃｍから約２．５ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約１ｍ、一実施態様では約２ｃｍから約５０ｃｍ、一実施態様では約２から約２５ｃｍの範囲にあるとよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの一つ、二つまたはそれ以上の内壁の上に形成された表面構成要素の使用によって、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）内の流れおよび／または混合を促進してもよい。表面構成要素は、マイクロチャネル壁の一つ以上の中のくぼみおよび／またはマイクロチャネル壁の一つ以上からの突起の形であってもよい。これらの表面構成要素は、プロセスマイクロチャネルを通る流れの方向に対して、ある角度で配向してもよい。表面構成要素は、流れの方向に対して、約１°から約８９°、一実施態様では約３０°から約７５°の角度に配置してもよい。配向の角度は、斜めの角度であってもよい。角度を有する構成要素を、流れと同じ方向、または流れと反対の方向に配置してもよい。表面構成要素と接触する反応体の流れは、反応体の一つ以上を表面構成要素の中のくぼみの中に押しやり、一方、他の反応体は、表面構成要素の上を流れることができる。表面構成要素内の流れは、表面構成要素の形に従い、マイクロチャネルの中のバルク流れの方向に対してある角度を有することができる。反応体が表面構成要素から出るとき、バルク流れをｚ方向とするｘ、ｙ、ｚ座標系のｘおよびｙ方向に運動量を及ぼすことができる。この結果、反応体の流れの中に撹拌または回転を生じさせることができる。このパターンは、付与された速度勾配が流体せん断を作り出す、流体せん断が相の一方を小さな十分に分散した泡または液滴に細分化することができるので、二相の流れを混合するのに有用なものとすることができる。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネル内に二つ以上の表面構成要素領域を直列に配置し、その結果、第一の表面構成要素領域と、それに続く別の流れのパターンが用いられる少なくとも一つの第二の表面構成要素領域とを用いて、反応体の混合と、生成物を形成する反応とを実現してもよい。第二の流れのパターンを用いて、一つ以上の未反応反応体または生成物を反応混合物から分離してもよい。第二の表面構成要素領域を用いて、気体または液体回収を支援してもよい。これは、気体を液体の中に導入して反応混合物を形成し、反応混合物は第一の表面構成要素領域を通って流れ、反応を行い、続いて、第二の表面構成要素領域を通って流れ、そこで生成物および／または一つ以上の未反応反応体が反応混合物から分離される、気‐液反応の場合に有用なものとすることができる。一実施態様では、第二の表面構成要素領域は、プロセスマイクロチャネルの内部の中に配置してもよく、別の第二の反応体は、第二の表面構成要素領域の下流で多相反応混合物と合流してもよく、別の反応は、第二の表面構成要素領域の下流のプロセスマイクロチャネル内で実行してもよい。第二の表面構成要素領域の中で、プロセスマイクロチャネルの内壁の方へ液体を押しやり、一方、気体は流体コアの中に残る遠心力を作り出す流れパターンを用いてもよい。強い中心渦を流体の中に作り出すことができる表面構成要素の一つのパターンは、プロセスマイクロチャネルの上部および底部の、角度を有する一対のスロットを含んでもよい。表面構成要素のこのパターンを用いて、中心渦巻き流れパターンを作り出してもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの壁に沿って流れる液体触媒を用いてもよい。触媒の流れは、プロセスマイクロチャネルの中の反応体の流れに対して並流または向流であってよい。プロセスマイクロチャネルの内壁の中の表面構成要素を用いて、触媒によるプロセスマイクロチャネル壁の濡れを促進してもよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネルの中に流動床の形の固体粒子があってもよく、プロセスマイクロチャネルは、プロセスマイクロチャネル内の反応体および／または生成物の流れを変化させるためにその内壁の一つ以上の中および／または上に形成された表面構成要素を含んでもよい。
プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）、第二の反応体流チャネル（２４０、３４０、４７０、４７０ａ、５５０、５６０、６２０、６３０）および／または多段添加液体触媒チャネル（３６０）の内壁の一つ以上は、チャネル内の流れおよび／または混合を変化させるための表面構成要素を含んでもよい。図２７〜３１に、これらの表面構成要素の例が示される。表面構成要素は、互いの上に積み重ねられた、または三次元パターンで織り合わせられた二つ以上の層を有してもよい。それぞれの個別の層の中のパターンは、同じであってもよく、あるいは異なっていてもよい。流れは、各層の中または一つの層の中で、回転してもよく、あるいは平行移動してもよい。バルクの流路に隣接していなくてもよい副層を用いて、追加の表面積を作り出してもよい。例えば、これらを用いて、触媒を析出させてもよい。流れは、表面構成要素の第一のレベルの中で回転し、第二以降の副層の中に分子拡散して反応を促進してもよい。金属キャスティングまたはその他のプロセスによって三次元表面構成要素を作ってもよく、さまざまなパターンを、互いに積み重ねたように、別々の面に分けもよい。マイクロチャネル内のバルク流路に隣接して、三次元表面構成要素を設けもよく、三次元表面構成要素は、さまざまな深さ、形状および／または位置を有し、さまざまな深さ、形状および／または位置のパターンを有する副構成要素を伴う。表面構造物は、触媒析出工程または分離工程のための別の表面積を必要とする化学反応の場合に有利なことがある。
図２８は、三次元表面構成要素構造物の平面概略図である。図２９に、三次元表面構成要素構造物の背面図の例が示され、マイクロチャネルのバルク流路に隣接する界面に、くぼんだＶ字形が設けられている。Ｖ字形の下に、バルク流路に隣接しているが、組み合わせられた形状、深さおよび／または位置の構造物から作られた表面構成要素につながる一連の三次元構造がある。マイクロチャネル内のバルク流路に隣接するが、一つ以上の曲がりくねった二次元または三次元通路を通ってつながり、開いた表面構成要素の下に直接は入らない副層通路を設けると、さらに有利なことがある。この手法は、狭い滞留時間分布ではなく、広い滞留時間分布を有することが望ましい場合に、マイクロチャネルの中に微調整された滞留時間分布を作り出すのに有利なことがある。
図３０は、三次元表面構成要素の前面図である。マイクロチャネル内のバルク流路にくぼんだＶ字形が接し、さまざまな深さおよび位置のさまざまな形状の追加の表面構成要素を背後に有する。
表面構成要素の長さおよび幅は、マイクロチャネルの長さおよび幅と同じように定めるとよい。深さは、表面構成要素がマイクロチャネル表面より下に沈むか、またはマイクロチャネル表面より上に上昇する距離であってよい。表面構成要素の深さは、シート表面の上またはシート表面の中に形成された表面構成要素を有し、積層され、ボンディングされたマイクロチャネルデバイスを積層する方向に対応してもよい。表面構成要素の寸法は、表面構成要素の最大寸法を指し、例えば、丸い溝の深さは、最大深さ、すなわち、溝の底の深さを指してもよい。
表面構成要素は、約２ｍｍより小さい、一実施態様では約１ｍｍより小さい、一実施態様では約０．０１から約２ｍｍの範囲、一実施態様では約０．０１から約１ｍｍの範囲、一実施態様では約０．０１ｍｍから約０．５ｍｍの範囲の深さを有するとよい。表面構成要素の幅は、ほぼマイクロチャネル幅に達するのに十分（魚骨設計で示されるように）であってもよいが、一実施態様（充填構成要素など）ではマイクロチャネルの幅の約６０％以下、一実施態様では約５０％以下、一実施態様では約４０％以下、一実施態様ではマイクロチャネル幅の約０．１％から約６０％、一実施態様ではマイクロチャネル幅の約０．１％から約５０％、一実施態様ではマイクロチャネル幅の約０．１％から約４０％にわたるとよい。表面構成要素の幅は、約０．０５ｍｍから約１００ｃｍの範囲、一実施態様では約０．５ｍｍから約５ｃｍの範囲、一実施態様では約１から約２ｃｍの範囲にあるとよい。
マイクロチャネル内には、一つ以上のマイクロチャネル壁の中にさまざまな深さにくぼんだ表面を含む、複数の表面構成要素または表面構成要素の領域が含まれてもよい。くぼみの間の間隔は、約０．０１から約１０ｍｍの範囲、一実施態様では約０．１から約１ｍｍの範囲にあるとよい。表面構成要素は、マイクロチャネルの長さ全体にわたって存在してもよく、あるいはマイクロチャネルの一部分または領域に存在してもよい。表面構成要素を有する一部分または領域は、専用の区域の中で所望の反応または単位操作（例えば分離、加熱、冷却等）を促進するように、断続していてもよい。例えば、マイクロチャネルの１センチメートルの区画が狭い間隔の表面構成要素のアレイを有し、次の４センチメートルが構成要素のない平坦なチャネルとなり、次の２センチメートルが広い間隔の表面構成要素の区間であってもよい。用語「広い間隔の表面構成要素」は、表面構成要素の幅の約５倍より大きなピッチ、または構成要素から構成要素の距離を有する表面構成要素を指すために用いてもよい。
一実施態様では、表面構成要素は、マイクロチャネルの軸方向長さの実質的に全体にわたって延在する一つ以上の表面構成要素領域の中にあるとよい。一実施態様では、マイクロチャネルは、その軸方向長さの約５０％以下、一実施態様ではその軸方向長さの約２０％以下にわたって、表面構成要素を有するとよい。一実施態様では、表面構成要素は、マイクロチャネルの軸方向長さの約１０％から約１００％、一実施態様では約２０％から約９０％、一実施態様では約３０％から約８０％、一実施態様ではマイクロチャネルの軸方向長さの約４０％から約６０％にわたって延在するとよい。
図２７および３１は、表面構成要素として用いることができる複数の異なるパターンを示す。これらのパターンは、本発明を限定することを意図するものではなく、複数の可能性の例を示すにすぎない。任意の表面構成要素と同じく、これらのパターンは、マイクロチャネルのさまざまな軸方向区間または横方向区間の中で用いてよい。
開口（２５２、３５２、３７２、４４４、４４４ａ、５１３、５２３、５３３、５４３）は、開口区間を通る第二の反応体の流れを十分可能にするサイズであるとよい。開口は、細孔と呼んでもよい。前記開口を含む開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）は、約０．０１から約５０ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．１から約２ｍｍの範囲の厚さを有するとよい。開口は、最大約２５０ミクロン、一実施態様では最大約１００ミクロン、一実施態様では最大約５０ミクロン、一実施態様では約０．００１から約５０ミクロン、一実施態様では約０．０５から約５０ミクロン、一実施態様では約０．１から約５０ミクロンの範囲の平均直径を有するとよい。一実施態様では、開口は、約０．５から約１０ナノメートル（ｎｍ）、一実施態様では約１から約１０ｎｍ、一実施態様では約５から約１０ｎｍの範囲の平均直径を有するとよい。開口区間の中の開口の数は、平方センチメートルあたり約１から約５×１０８開口、一実施態様では平方センチメートルあたり約１から約１×１０６開口の範囲にあるとよい。開口は、互いに孤立していてもよく、孤立していなくてもよい。開口の一部またはすべては、開口区間内の他の開口と流体連通していてもよい。すなわち、一つの開口から別の開口へ流体が流れてもよい。プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０）を通って流れる流体の流路に沿った開口区間の長さに対する開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０）の厚さの比は、約０．００１から約１、一実施態様では約０．０１から約１、一実施態様では約０．０３から約１、一実施態様では約０．０５から約１、一実施態様では約０．０８から約１、一実施態様では約０．１から約１の範囲にあるとよい。
一実施態様では、開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０）は、各プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０）の内壁の一つ以上の一部を形成する内部部分を含んでもよい。開口区間のこの内部部分の上に表面構成要素シートがあってもよい。表面構成要素シートの中および／または上に表面構成要素を形成してもよい。第二の反応体は、開口区間および表面構成要素シートを通って、プロセスマイクロチャネルに流れ込んでもよい。第二の反応体の一部は、表面構成要素シートの表面から離れてもよいが、一部は、表面構成要素シートの表面構成要素内を流れてもよい。表面構成要素シートは、流れの長さ全体と比較すると相対的に小さな幅またはスパンを有する角度のある構成要素を含んでもよい。表面構成要素シートは、開口区間に機械的支持を提供してもよい。表面構成要素は、第二の反応体に渦巻流れパターンを付与してもよい。渦巻流れパターンは、開口区間を通って流れる第二の反応体にせん断を付与し、ひいては、バルク流路の中の第二の反応体の泡または液滴のサイズを小さくしてもよい。
開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）は、本発明のプロセスの動作を可能にするのに十分な強度および寸法安定性を提供する任意の材料で構築してもよい。これらの材料は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼および類似鋼）、モネル（登録商標、ニッケル含有合金）、インコネル（登録商標、ニッケルクロム含有合金）、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、上記金属の任意のものの合金、重合体（例えば熱硬化性樹脂）、セラミックス、ガラス、一つ以上の重合体（例えば熱硬化性樹脂）とガラス繊維とを含む複合体、石英、ケイ素、カーボンナノチューブまたはカーボンモレキュラーシーブを含む微多孔質炭素、ゼオライト、またはそれらの二つ以上の組み合わせを含む。開口は、レーザ穿孔、マイクロエレクトロマシニングシステム（ＭＥＭＳ）、リソグラフィー電着および成型（ＬＩＧＡ）、電気火花加工、光化学機械加工（ＰＣＭ）、電気化学機械加工（ＥＣＭ）、電気化学エッチングおよび類似技法など、既知の技法を用いて形成してもよい。開口は、押し出しなど、構造を有するプラスチックを作るために用いられる技法、または配列カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）膜などの膜を作るために用いられる技法を用いて、形成してもよい。開口は、金属粉末または粒子を焼結するか、または圧縮して曲がりくねって相互に連結したキャピラリーチャネルを作製することなどの技法、および膜作製の技法を用いて形成してもよい。開口は、これらの方法の任意のものによって提供されるサイズから、開口を部分的に充填する開口内部側壁への被覆の塗布によって、サイズを小さくしてもよい。選択的な被覆によって、多孔質体の外部に薄層を形成させ、この薄層によって最小の細孔サイズを連続流路に隣接させてもよい。最小の平均細孔開口部は、所望のエマルジョンの液滴サイズによって、約１ナノメートルから約数百ミクロンの範囲にあるとよい。開口は、熱処理ならびに開口の内部側壁の上に酸化物皮膜または被覆を形成させる方法によって、サイズを小さくしてもよい。これらの技法を用いて、開口を部分的に閉塞させ、流れのための開口のサイズを小さくしてもよい。図１２および１３は、熱処理の前後のステンレス鋼多孔基板のＳＥＭ表面構造の比較を同じ倍率および同じ位置で示す（顕微鏡写真）。図１２は、熱処理の前の表面を示し（顕微鏡写真）、図１３は、熱処理の後の表面を示す（顕微鏡写真）。熱処理の後の多孔質材料の表面は、著しく小さなギャップおよび開口サイズを有する。対応して、開口の間の平均距離は増加する。
開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）は、約０．０１から約２００ミクロンの範囲の平均細孔サイズの相互に連結したチャネルまたは細孔を有する金属または非金属多孔質材料から作ることができる。これらの細孔は、開口（２５２、３５２、３７２、４４４、４４４ａ、５１３、５２３、５３３、５４３）として機能することができる。多孔質材料は、平均細孔間距離が平均細孔サイズと同じようになるように、粉末または微粒子から作るとよい。非常に小さな細孔サイズが用いられるとき、細孔間距離も非常に小さくなることがあり、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０）の側面の表面で液滴が合体し、望ましくない大型液滴を形成することがある。多孔質材料は、約３００℃から約１０００℃の範囲の高温で、約１時間から約２０日間の長さの酸化によって、あるいは、ゾル被覆によるアルミナまたは化学蒸着法を用いるニッケルなどの別の材料の薄層を表面および細孔の内部に被覆して小さな細孔を閉塞させ、大きな細孔の細孔サイズを小さくし、細孔間距離は逆に増加させることによって、手直ししてもよい。このようにすると、液滴の合体を減らすか、またはなくし、より小さな液滴の生成が可能になることがある。図１４に、手直しされた基板または開口区間のＳＥＭ像が示される（顕微鏡写真）。
約１ミクロンより小さな液滴サイズを有する反応体を提供するのに十分小さなマイクロスケール開口または細孔（２５２、２５２、２７２、４４４、４４４ａ、５１３、５２３、５３３、５４３）を有する開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）として用いられる基板の製作は、困難なことがある。これの理由の一つは、圧縮および／または焼結によって粉末／粒子から作られた金属多孔質基板などの未処理の通常の多孔質材料では、比較的大きな表面粗さが生じるという事実にある。これらの金属多孔質基板は、通常、所定の名目細孔サイズが特定の値より小さくても、表面領域の中に、必要な細孔サイズはない。多孔質材料のバルクは指定された名目細孔サイズを有するが、表面領域は、多くの場合、はるかに大きなサイズの融合細孔および空洞を特徴とする。この問題は、これらの基板を手直しして、表面領域の中に所望の細孔サイズと細孔間距離とを提供することによって克服することができる。これは、多孔質基板から表面層を除去し、より小さな開口部を有する平滑な新しい表面を加えることによって実行するとよい。これらの手直しされた基板を用いて形成することができる反応体混合物の中の液滴サイズは、基板にかかる圧力降下を増加させずに小さくすることができる。多孔質表面の直接研削または機械加工は、表面構造物の汚染および細孔の閉塞の原因となることがあるので、多孔質構造物を液体充填材で充填した後、固形化および機械研削／研磨するとよい。それから、充填材を除去して材料の多孔質構造物を再び得る。充填材は、亜鉛またはスズなどの低融点の金属またはエポキシなどの重合体の前駆体であるとよい。液体充填工程および除去工程は、真空を用いて支援してもよい。研削／研磨は、研削盤および研磨粉を用いて実行してもよい。金属充填剤の除去は、融解および真空吸引によって、あるいは酸エッチングによって実行するとよい。エポキシまたはその他の重合体は、溶媒溶解によって、または空気中での燃焼除去によって除去するとよい。
図１５〜１８を参照すると、開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）は、一実施態様では、比較的小さな開口７０２を含む比較的薄いシート７００と、比較的大きな開口７１２を含む比較的厚いシートまたはプレート７１０とで構築するとよい。開口７１２は、開口７０２と位置合わせしてもよく、あるいは連結しもよい。比較的薄いシート７００は、比較的厚いシートまたはプレート７１０の上にあり、比較的厚いシートまたはプレート７１０にボンディングされ、比較的薄いシート７００は、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０）の内部に面し、比較的厚いシート７１０は、第二の反応体流チャネル（２４０、３４０、４７０、４７０ａ、５５０、５６０、６２０、６３０）または多段添加液体触媒チャネル（３６０）の内部に面する。比較的薄いシート７００は、強化された機械的強度を複合構築物７２０に提供する任意の適当な手順（例えば拡散ボンディング）を用いて、比較的厚いシート７１０にボンディングするとよい。比較的薄いシート７００は、約０．００１から約０．５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約０．２ｍｍの範囲の厚さを有するとよい。比較的小さな開口７０２は、任意の形状、例えば円形、三角形または長方形を有するとよい。比較的小さな開口７０２は、約０．０５から約５０ミクロン、一実施態様では約０．０５から約２０ミクロンの範囲の平均直径を有するとよい。比較的厚いシートまたはプレート７１０は、約０．１から約５ｍｍ、一実施態様では約０．１から約２ｍｍの範囲の厚さを有するとよい。比較的大きな開口７１２は、任意の形状、例えば円形、三角形または長方形を有するとよい。比較的大きな開口７１２は、約０．１から約４０００ミクロン、一実施態様では約１から約２０００ミクロン、一実施態様では約１０から約１０００ミクロンの範囲の平均直径を有するとよい。シート７００の中の開口７０２の総数とシートまたはプレート７１０の中の開口７１２の総数とは、平方センチメートルあたり約１から約１００００開口、一実施態様では平方センチメートルあたり約１から約１０００開口の範囲にあるとよい。シート７００およびシートまたはプレート７１０は、開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）を構築するために有用であるとして上記で説明された材料の任意のもので構築するとよい。開口７０２および７１２は、開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）を通って流れる流体が、最初に開口７１２を通ってから、開口７０２を通って流れるように、位置を合わせるか、あるいは連結するとよい。流体が比較的小さな開口７０２を通って流れる流路が比較的短いため、流体は、開口の中の流路が開口７０２と７１２との合計の長さに等しい長さを有していたら起こると考えられる圧力降下と比べると比較的低い圧力降下で、開口７０２を通って流れることができる。
図１８に例が示される実施態様では、複合構築物７２０ａは、開口７１２の上にある比較的薄いシート７００の凸部分７０４が設けられる点を除けば、図１７に例が示されたものと同じ設計を有する。凸部分７０４は、隣接するチャネルの中の局所せん断力を増加させる。第二の反応体または液体触媒は、開口７１２および７０２を通って矢印７２３で示される方向に流れる。図１８の方向矢印７２２は、開口７０２に隣接する、プロセスマイクロチャネルの中の第一の反応体の流れを示す。局所せん断力の増加によって、開口７０２を通って流れる液体の液滴サイズが小さくなる。
図１９に例が示される実施態様では、シートまたはプレート７３２の表面の上、および開口７３６の内部側壁７３４の上に、表面被覆７３０を析出させる。この被覆は、開口（２５２、３５２、３７２、４４４、４４４ａ、５１３、５２３、５３３、５４３）の直径を減らす簡単な方法を提供する。被覆７３０を形成させるために用いられる被覆材料は、アルミナ、ニッケル、金または重合材料（例えばテフロン（登録商標））であってよい。被覆７３０は、化学蒸着、金属スパッタリング、金属メッキ、焼結、ゾル被覆および類似法を含む既知の技法を用いて、シートまたはプレート７３２に塗布するとよい。開口の直径は、被覆７３０の厚さを制御することによって制御するとよい。
一実施態様では、開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）は、非対称多孔質材料、例えば複数の焼結粒子層を有する多孔質材料から形成するとよい。層の数は、二つ、三つまたはそれ以上であってもよい。これらの多層基板の利点は、耐久性および接着強さを高めることである。例は、片側では比較的大きな細孔、他方の側では比較的小さな細孔を有する焼結セラミックスを含む。比較的小さな細孔は、約２から約１０ｎｍの範囲の直径を有するとよい。比較的小さな細孔は、多層基板の比較的薄い層の中に配置するとよい。比較的薄い層は、約１から約１０ミクロンの範囲の厚さを有するとよい。比較的小さな細孔を有する側は、比較的高いせん断力を利用して反応体および／または液体触媒の比較的小さな液滴が生成したら除去するために、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０）の内部に面して配置するとよい。
本発明のプロセスの間に、第二の反応体は、開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０）を通って、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０）に流れ込んでもよい。一実施態様では、開口区間は、プロセスマイクロチャネルの軸方向長さの少なくとも約５％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸長さの少なくとも約２０％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸長さの少なくとも約３５％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸長さの少なくとも約５０％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸長さの少なくとも約６５％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸長さの少なくとも約８０％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸長さの少なくとも約９５％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸方向長さの約５％から約１００％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸方向長さの約１０％から約９５％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸方向長さの約２５％から約７５％、一実施態様ではプロセスマイクロチャネルの軸方向長さの約４０％から約６０％に沿って延在するとよい。プロセスマイクロチャネルの中で、第二の反応体は、第一の反応体の中に分散した気泡および／または液滴を形成してもよい。第二の反応体は、不連続相の形であってもよい。第一の反応体は、連続相の形であってもよい。気泡および／または液滴は、サイズが比較的小さく、一様であってもよい。これらの泡および／または液滴は、第二の反応体と第一の反応体との間に比較的大きな界面面積を提供する。この比較的大きな界面面積は、少なくとも一実施態様では、反応体の間の反応速度を増加させる。
一実施態様では、図８に例が示されるように、液体触媒は、多段添加液体触媒チャネル３６０から開口区間３７０を通ってプロセスマイクロチャネル３１０に流れ込む。液体触媒は、第一の反応体と第二の反応体との混合物の中に液滴として分散してもよい。これらの液滴は、比較的小さく、一様なサイズを有してもよい。これによって、触媒と、第一の反応体および第二の反応体のどちらかまたは両方との間に比較的大きな界面面積が提供される。この比較的大きな界面面積は、少なくとも一実施態様では、第一の反応体と第二の反応体との間の反応の速度を比較的大きくする。
本発明のプロセスの間の気泡または液滴の形成は、第二の反応体と第一の反応体との混合について、図２６に概略が示される。この例示は、上記で考察された、液体触媒と、第一の反応体と第二の反応体との混合物との混合に適用することもできると考えられる。図２６を参照すると、気泡または液滴８５０の形の第二の反応体は、開口区間８５３の中の開口８５２から表れ、プロセスマイクロチャネル８５４に流れ込み、泡または液滴は、そこで、第一の反応体８５６の中に分散する。開口８５２内の気体または液体ステム８５８に付着している間に、気泡または液滴は、サイズが開口のサイズの例えば約１０倍以上に成長することがある。最終的に、気体または液体ステム８５８の基部でのせん断力によって、泡または液滴は開口８５２から切り離され、泡または液滴は、第一の反応体８５６の中に分散する。一実施態様では、第一の反応体の中の第二の反応体の分散を実現するために、開口８５２による比較的大きな圧力降下、またはこれに対応して高い、開口区間８５３に隣接する第二の反応体流チャネルを通る第二の流体流の流速は必要ないことがある。圧力降下が小さいと、または流速が低いと、開口区域を通って流れる第二の反応体の慣性が小さくなるため、泡または液滴が開口から切り離される前の泡または液滴の成長が遅くなることがあるので、泡または液滴が小さくなることがある。
第二の反応体の気泡または液滴、あるいは液体触媒の液滴は、最大約２００ミクロン、一実施態様では約０．０１から約２００ミクロン、一実施態様では約０．０１から約１００ミクロン、一実施態様では約０．０１から約５０ミクロン、一実施態様では約０．０１から約２５ミクロン、一実施態様では約０．０１から約１０ミクロン、一実施態様では約０．０１から約５ミクロン、一実施態様では約０．０１から約２ミクロン、一実施態様では約０．０１から約１ミクロン、一実施態様では約０．０１から約０．５ミクロン、一実施態様では約０．０１から約０．２ミクロン、一実施態様では約０．０１から約０．１ミクロン、一実施態様では約０．０１から約０．０８ミクロン、一実施態様では約０．０１から約０．０５ミクロン、一実施態様では約０．０１から約０．０３ミクロンの範囲の体積基準平均直径を有するとよい。本発明のプロセスの一利点は、少なくとも一実施態様で、泡または滴は、比較的狭い平均直径分布を有することを特徴としてもよい点である。
「相対スパン」は、多くの場合、「スパン」と呼ばれる。相対スパンは、体積分布から計算される無次元パラメータである。体積中央値泡または滴サイズ（ＶＭＤ）の場合と同じく、Ｄ［ｖ，０．１］およびＤ［ｖ，０．９］は、分散した泡また滴の体積のそれぞれ１０％および９０％が、その値より小さな直径の泡または液滴となる直径である。スパンは、Ｄ［ｖ，０．９］からＤ［ｖ，０．１］を引いた後、ＶＭＤ（Ｄ［ｖ，０．５］）で除した商と定義され得る。一実施態様では、本発明のプロセスによって作られる多相反応混合物の中の第二の反応体および／または液体触媒の泡または滴のスパンは、約１．３から約５、一実施態様では約１．８から約２．５の範囲にあるとよい。一実施態様では、本発明のプロセスは、単一のプロセスマイクロチャネルの中で実行され、スパンは、約１．３から約２．５の範囲にあるとよい。一実施態様では、本発明のプロセスは、複数のプロセスマイクロチャネルを使用するスケールアップされたプロセスの中で実行され、スパンは、約１．３から約５の範囲にあるとよい。
一実施態様では、本発明のプロセスの間に作られる多相反応混合物の中の第二の反応体および／または液体触媒の泡または液滴の体積基準平均直径は、約０．１から約１００ミクロンの範囲にあるとよく、スパンは、約１から約１０の範囲にあるとよい。一実施態様では、体積基準平均直径は、約１から約１０ミクロンの範囲にあるとよく、スパンは、約１．８から約２．５の範囲にあるとよい。一実施態様では、泡または滴は、約１から約２５ミクロンの範囲の体積基準平均直径と、約１．９から約２．５の範囲のスパンとを有するとよい。
本発明のプロセスの利点は、少なくとも一実施態様では、プロセスが実験室用であろうと、パイロットプラント規模用であろうと、または実生産規模用であろうと、プロセスマイクロチャネル、第二の反応体チャネルおよび熱交換チャネル間のギャップ距離が同じであってよい点である。その結果、マイクロチャネル反応器が実験室規模またはパイロットプラント規模で構築されようと、あるいは実生産規模プラント装置として構築されようと、本発明のプロセスで用いられるマイクロチャネル反応器によって製造される多相混合物の粒子サイズ分布は、実質的に同じにすることができる。
液体制御素子（離散形の）に対する速度ｕの方向のせん断力または応力は、式 ＦＸ＝ｍｕ＊ｄｕ／ｄｙ で計算することができ、ここで、ｍｕは粘度、ｄｕ／ｄｙは開口区間に垂直な液体の流れの速度勾配である。しかし、液体の位置（制御素子によって表される）の場合と同じく、速度は、一般に、三つの成分を有し、せん断力も三つの成分を有する。表面近傍および表面のチャネルの流れについて、一次元の仮定をおき、ＦＸで液体の単位表面における正味のせん断を近似することができる。ＦｌｕｅｎｔまたはＦＥＭＬＡＢなど、市販のソフトウェアパッケージを含む、計算機流体力学を用いて、必要な輸送方程式を解き、その結果、表面せん断力を計算することができる。流れの方向に平行な、チャネルの長さ方向の表面せん断力または応力を計算することができる。平行なチャネルの間のせん断力または応力も計算することができ、詳細なチャネルおよびマニホルド幾何形状の関数として、それぞれの平行なチャネルへの物質流束を求めるために、流れ分布効果を考慮する。例えば、ビー・アール・マンソン（Ｂ．Ｒ．Ｍｕｎｓｏｎ）、ディー・エフ・ヤング（Ｄ．Ｆ．Ｙｏｕｎｇ）およびティー・エイチ・オキイシ（Ｔ．Ｈ．Ｏｋｉｉｓｈｉ）の「流体力学の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）」、第３版、ジョンワイリー・アンド・サンズ社（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ）、ヴァインハイム（Ｗｅｉｎｈｅｉｍ）、１９９８年、にさらに詳しい計算方法がある。
一実施態様では、単一のプロセスマイクロチャネルを使用するプロセスのせん断力偏差因子（ＳＦＤＦ）を、複数のプロセスマイクロチャネルを含むスケールアップされたプロセスのＳＦＤＦの約５０％の範囲内にすることができる。ＳＦＤＦは、式
ＳＦＤＦ＝（Ｆｍａｘ−Ｆｍｉｎ）／（２Ｆｍｅａｎ）
を用いて計算することができる。ここで、Ｆｍａｘは、特定の液体に対するプロセスマイクロチャネルの中の最大せん断応力であり、Ｆｍｉｎは、その液体に対するプロセスマイクロチャネルの中の最小せん断応力であり、Ｆｍｅａｎは、プロセスマイクロチャネルの中の開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０）の表面における液体に対する算術平均せん断力である。本発明のプロセスによって動作する単一のプロセスマイクロチャネル内では、ＳＦＤＦは約２より小さく、一実施態様では約１より小さく、一実施態様では約０．５より小さく、一実施態様では約０．２より小さくすることができる。
一実施態様では、本発明のプロセスは、複数のプロセスマイクロチャネルを使用しながら、比較的一様なせん断応力を提供することができる。複数のプロセスマイクロチャネルの間のせん断力一様性を求めるためには、各チャネルの平均せん断力を計算し、比較する。Ｆｍａｘは、平均チャネルせん断力の最大値であり、Ｆｍｉｎは、平均せん断力の最小値である。Ｆｍｅａｎは、すべてのチャネルの平均せん断力の平均値である。これらの値からＳＦＤＦを計算することができる。本発明のプロセスの少なくとも一実施態様では、複数のプロセスマイクロチャネルの間で、ＳＦＤＦは約２より小さく、一実施態様では約１より小さく、一実施態様では約０．５より小さく、一実施態様では約０．２より小さくすることができる。
冷却、加熱、あるいは冷却と加熱との両方のために、発熱源および／または吸熱源を用いてもよい。発熱源および／または吸熱源は、一つ以上の熱交換チャネルを含んでもよい。発熱源は、一つ以上の電熱素子または抵抗加熱器など、一つ以上の非流体加熱素子を含んでもよい。吸熱源は、一つ以上の非流体冷却素子を含んでもよい。これらは、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルに隣接してもよい。一実施態様では、発熱源および／または吸熱源は、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の流体流チャネルに接触もせず、隣接もせず、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の流体流チャネルのどちらかまたは両方から離れていてもよいが、発熱源および／または吸熱源とプロセスマイクロチャネルおよび／または第二の流体流チャネルとの間で熱を移動させるのに十分にプロセスマイクロチャネルおよび／または第二の流体流チャネルに近い。非流体加熱および／または非流体冷却素子を用いて、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）および／または第二の反応体流チャネル（２４０、３４０、４７０、４７０ａ、５５０、５６０、６２０、６３０）の一つ以上の壁を形成してもよい。非流体加熱および／または冷却素子は、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの一つ以上の壁の中に構築してもよい。非流体加熱および／または冷却素子は、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの壁の中に埋め込まれた薄いシート、ロッド、ワイヤ、円盤またはその他の形状の構造物であってもよい。非流体加熱および／または冷却素子は、プロセスマイクロチャネル壁および／または第二の反応体流チャネル壁に接着されたフォイルまたはワイヤの形であってもよい。加熱および／または冷却は、ペルティエ型熱電冷却および／または加熱素子を用いて実現してもよい。プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの長さに沿って、複数の加熱および／または冷却区域を使用してもよい。同様に、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの長さに沿って、一つ以上の熱交換チャネルの中のさまざまな温度の伝熱流体を使用してもよい。発熱源および／または吸熱源を用いて、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネル内の精密な温度制御を提供してもよい。
熱交換チャネル（２２０、３２０、４９０、５７０、５８０、６８０、９４２、９５２、９６２、９７６、９７６Ａ）は、マイクロチャネルであってもよいが、通常、マイクロチャネルとは言えないような大きな寸法を有してもよい。これらのチャネルのそれぞれは、任意の構成、例えば、正方形、長方形、円形、環形、楕円形、台形等を有する断面を有してもよい。熱交換チャネルは、管状であってもよい。熱交換チャネルは、隣接するプロセスマイクロチャネルまたは第二および第三の流体流チャネルとともに、横に並べられるか、または上下に重ねられて配置された平行な離間したシートおよび／またはプレートから形成してもよい。熱交換チャネルのそれぞれは、熱交換チャネルを通る熱交換流体の流れに対して垂直な、最大約５０ｍｍ、一実施態様では最大約１０ｍｍ、一実施態様では最大約２ｍｍの範囲の内部寸法、例えば、高さ、幅または直径を有するとよい。この寸法は、約０．０５から約５０ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約５ｍｍ、一実施態様では約０．０５から約２ｍｍ、一実施態様では約から０．５から約１ｍｍの範囲にあるとよい。熱交換チャンルを通る熱交換流体の流れに垂直な別の内部寸法、例えば高さまたは幅は、任意の値、例えば約０．０１ｃｍから約１００ｃｍ、一実施態様では約０．０１ｃｍから約７５ｃｍ、一実施態様では約０．１ｃｍから約５０ｃｍ、一実施態様では約０．２ｃｍから約２５ｃｍの範囲にあるとよい。熱交換チャネルの長さは、任意の値、例えば、最大約１０ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約１０ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約５ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約２．５ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約１ｍ、一実施態様では約２ｃｍから約５０ｃｍ、一実施態様では約２ｃｍから約２５ｃｍの範囲にあるとよい。各プロセスマイクロチャネルまたは第二の流体流チャネルと次の隣接する熱交換チャネルとの間の距離は、約０．０５ｍｍから約５０ｍｍ、一実施態様では約０．１から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．２ｍｍから約２ｍｍの範囲にあるとよい。
熱交換チャネル（２２０、３２０、４９０、５７０、５８０、６８０、９４２、９５２、９６２、９７６、９７６Ａ）は、熱交換流体がチャネルを通って、隣接するプロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルを通る流体の流れと並流の方向に流れるのに適したものにするとよい。あるいは、熱交換流体は、熱交換チャネルを通って、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルを通る流体の流れに対して向流である方向に流れてもよい。あるいは、熱交換チャネルは、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルを通る流体の流れに対して交差流となる方向の熱交換流体の流れを提供するように、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルに対して配向してもよい。熱交換チャネルは、交差流と並流または向流との組み合わせを提供するために、蛇行構成を有してもよい。
熱交換流体は、任意の流体であってもよい。これらは、空気、蒸気、液体水、気体窒素、液体窒素、不活性気体を含むその他の気体、一酸化炭素、二酸化炭素、鉱油などの油類、気体炭化水素、液体炭化水素、ならびにダウ‐ユニオンカーバイド（Ｄｏｗ‐Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）から入手できるダウサームＡ（Ｄｏｗｔｈｅｒｍ Ａ）およびサーミノール（Ｔｈｅｒｍｉｎｏｌ）などの熱交換流体を含む。
熱交換流体は、第一の反応体、第二の反応体および／または生成物を含んでもよい。これによって、プロセス予熱および／またはプロセス熱効率全体を増加させることができる。
一実施態様では、熱交換チャネルは、吸熱または発熱プロセスが実行されるプロセスチャネルを含む。これらの熱交換プロセスチャネルは、マイクロチャネルであってもよい。熱交換チャネルの中で実行することができる吸熱プロセスの例は、水蒸気改質および脱水素反応を含む。熱交換チャネルの中で実行することができる発熱プロセスの例は、水性ガスシフト反応、メタノール合成反応およびアンモニア合成反応を含む。
一実施態様では、熱交換流体は、熱交換チャネルの中で相変化を行う。この相変化によって、対流加熱または冷却によって提供される加熱または除熱の他に、プロセスマイクロチャネルおよび／または液体チャネルへの追加の加熱、あるいはプロセスマイクロチャネルおよび／または液体チャネルからの追加の除熱が行われる。そのような相変化の一例は、沸騰を行う油または水と考えられる。一実施態様では、相変化流体の沸騰の蒸気質量分率量は、最大約１００％、一実施態様では最大約７５％、一実施態様では最大約５０％であるとよい。
マイクロチャネル反応器の中の対流熱交換の熱流束は、マイクロチャネル反応器の中の一つ以上のプロセスマイクロチャネルの表面積の平方センチメートルあたり約０．０１から約１２５ワット（Ｗ／ｃｍ２）、一実施態様では約０．１から約５０Ｗ／ｃｍ２、一実施態様では約１から約１０Ｗ／ｃｍ２の範囲にあるとよい。熱交換流体の相変化および／または、発熱または吸熱反応の熱流束は、約０．０１から約２５０Ｗ／ｃｍ２、一実施態様では約１から約２５０Ｗ／ｃｍ２、一実施態様では約１から約１００Ｗ／ｃｍ２、一実施態様では約１から約５０Ｗ／ｃｍ２、一実施態様では約１から約２５Ｗ／ｃｍ２、一実施態様では約１から約１０Ｗ／ｃｍ２の範囲にあるとよい。
一実施態様では、マイクロチャネル反応器に入る反応体流の温度は、マイクロチャネル反応器から出る生成物の温度の約２００℃の範囲内、一実施態様では約１００℃の範囲内、一実施態様では約５０℃の範囲内、一実施態様では約２０℃の範囲内にあるとよい。
プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの近傍にある、またはプロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルに隣接する熱交換チャネルの間の熱交換を制御することによって、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの温度プロフィルを一様にすることが可能になる。これによって、混合タンクなどの従来のプロセス装置を用いて得られるよりも、一様な熱交換をより迅速に得ることが可能になる。複数のプロセスマイクロチャネルと、第二の反応体流チャネルとを使用するマイクロチャネル反応器の場合、プロセスマイクロチャネルの長さ方向の少なくとも一つの共通の位置で、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの間の温度差を、約５℃より小さく、一実施態様では約２℃より小さく、一実施態様では約１℃より小さくすることができる。
プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルのどちらかに隣接する熱交換チャネルは、熱交換チャネルの長さに沿って、別々の温度区域を使用してもよい。例えば、一実施態様では、プロセスマイクロチャネルへの入口に近い第一の区域の中の温度は、プロセスマイクロチャネルの終わりに近い第二の区域の中の第二の温度より高いか、または低い温度に維持してもよい。生成物を冷却するために、プロセスマイクロチャネルの中に、冷却区域または急冷区域を組み込んでもよい。反応体および／または生成物を加熱または冷却する、プロセスマイクロチャネルの中の反応区域の前および／または後の加熱区域または冷却区域の可能性を含め、プロセスマイクロチャネルおよび／または第二の反応体流チャネルの長さに沿って、微調整された熱プロフィルを可能にする多数の熱プロフィルの組み合わせが可能である。
熱交換チャネルに入る熱交換流体は、約−４０℃から約４００℃、一実施態様では約０℃から約４００℃、一実施態様では約２０℃から約３００℃、一実施態様では約２０℃から約２５０℃、一実施態様では約２０℃から約２００℃の範囲の温度であるとよい。熱交換チャネルから出る熱交換流体は、約−４０℃から約４００℃、一実施態様では約０℃から約４００℃、一実施態様では約２０℃から約３００℃、一実施態様では約２０℃から約２５０℃、一実施態様では約２０℃から約２００℃の範囲の温度であるとよい。熱交換チャネルの中の熱交換流体の滞留時間は、約５ｍｓから約１分、一実施態様では約２０ｍｓから約１分、一実施態様では約５０ｍｓから約１分、一実施態様では約１００ｍｓから約１分の範囲にあるとよい。熱交換流体が熱交換チャネルを通って流れるときの圧力降下は、最大約１気圧／ｍ、一実施態様では最大約０．５気圧／ｍ、一実施態様では最大約０．１気圧／ｍ、一実施態様では約０．０１から約１気圧／ｍの範囲にあるとよい。熱交換流体は、蒸気、液体、または蒸気と液体との混合物の形であるとよい。熱交換チャネルを通る蒸気の流れのレイノルズ数は、約１０から約５０００、一実施態様では約１００から約３０００の範囲にあるとよい。熱交換チャネルを通る液体の流れのレイノルズ数は、約１０から約１００００、一実施態様では約１００から約５０００の範囲にあるとよい。
プロセスマイクロチャネルの設計は、多相反応の変化する流体力学的性質と適合するために、軸方向長さに沿って変化してもよい。例えば、反応体の一種類が過剰なら、多相反応混合物の流体的性質は、約１０％未満の反応度から約５０％を超える反応度への場合に典型化されるように、反応の進み方によって変化することがある。化学量論供給速度近くで酸素が供給される酸化反応の場合、気体に対する液体の比は、プロセスマイクロチャネルへの入口ではそれほどではないかもしれないが、気体に対する液体の比は、プロセスマイクロチャネルの終わりでは高くなり、気体反応体の消滅に至ることが望ましい反応の場合、無限大に近づくことがある。物質移動が減少する結果、良好な相混合が必要になる。気体、あるいは液体が、ほぼ完全に反応すると、例えば約６０％反応率を超えると、一実施態様では約９０％反応率を超えると、良好な相混合には別の設計が必要になることがある。プロセスマイクロチャネルの中に、異なる混合パターンを作り出すために、マイクロチャネル断面積が、対応する第一の反応区域の中の断面積より小さくなるか、または大きくなる少なくとも一つの第二の反応区域があってもよい。表面構成要素は、用いられるなら、反応が消滅に向かって進むにつれて、マイクロチャネルギャップと比べて異なる幾何構造、パターン、角度、深さまたはサイズの比を有することがある。
マイクロチャネル反応器（１００、９００、９００Ａ、９９０）は、本発明のプロセスを実行するのに十分な強度、寸法安定性および伝熱特性を提供する任意の材料で構築してもよい。適当な材料の例は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼および類似鋼）、アルミニウム、チタン、ニッケル、および前記金属の任意のものの合金、プラスチック（例えばエポキシ樹脂、ＵＶ硬化樹脂、熱硬化性樹脂および類似物）、モネル、インコネル、セラミックス、ガラス、複合体、石英、ケイ素またはそれらの二つ以上の組み合わせを含む。マイクロチャネル反応器は、ワイヤ放電加工、通常の機械加工、レーザ切削、光化学機械加工、電気化学加工、成型、水噴流、スタンプ刻印、エッチング（例えば化学エッチング、光化学エッチングまたはプラズマエッチング）およびそれらの組み合わせを含む、既知の技法を用いて作製してよい。マイクロチャネル反応器は、一部を除去して流れの通過を可能にしたシートまたは層を形成することによって構築してもよい。拡散ボンディング、レーザ溶接、拡散ロウ付けおよび類似の方法によってシートの積層を組み立て、一体化されたデバイスを形成してもよい。シートの積層を一緒に気密封止して、一体化デバイスを形成してもよい。マイクロチャネル反応器は、反応体組成物および生成物の流れ、ならびに熱交換流体の流れを制御するために、適切なマニホルド、バルブ、流路網等を有する。これらは、図面には示していないが、当業者は容易に設けることができる。
触媒は、所望の多相反応を実行するのに適する任意の触媒を含んでもよい。触媒は、酸化触媒、水素化分解触媒、水素化触媒、水和触媒またはカルボニル化触媒であってよい。これらについては、上記で考察した。触媒は、固体、液体またはそれらの混合物の形であってよい。
液体触媒は、第一の反応体流、第二の反応体流またはこれらの二つの流れの混合物の中に分散した滴の形であってもよい。これらの液滴は、溶解して溶液を形成してもよく、あるいは分散してエマルジョンを形成してもよい。エマルジョンの形のとき、滴は、約０．０１から約１００ミクロン、一実施態様では約０．１から約１０ミクロンの平均直径を有するとよい。滴の分布のスパンは、約０．１から約４、一実施態様では約０．１から約２の範囲にあるとよい。
固体触媒は、プロセスマイクロチャネルの中に適合する任意のサイズおよび幾何学的構成を有してもよい。触媒は、約１から約１０００μｍ、一実施態様では約１０から約５００μｍ、一実施態様では約２５から約２５０μｍの中央値粒子直径を有する固体粒子（例えばペレット、粉体、繊維および類似物）の形であるとよい。触媒は、上記に示されたように、第一の反応体と混合され、反応体とともにプロセスマイクロチャネルを通って流れてもよい。一実施態様では、触媒は、図２０に例が示されているものなど、固体粒子の固定床の形であってもよい。図２０を参照すると、触媒８００は、プロセスマイクロチャネル８０２内に収容されている。反応体は、矢印８０４および８０６で示されるように、触媒床を通って流れる。
触媒は、発泡体、フェルト、詰め物またはそれらの組み合わせなど、多孔質担体構造物上に担持してもよい。本明細書では、用語「発泡体」は、連続的な壁を有し、連続的な壁が構造物全体にわたって細孔を定める、構造物を指すために用いられる。本明細書では、用語「フェルト」は、それぞれの間に隙間の空間を有する繊維の構造物を指すために用いられる。本明細書では、用語「詰め物」は、スチールウールのように、もつれ合ったより線の構造を有する担体を指すために用いられる。触媒は、ハニカム構造または蛇行構成を有する担体上に担持してもよい。
触媒は、隣接するギャップを有するフェルト、隣接するギャップを有する発泡体、ギャップを有するフィン構造物、任意の挿入基板上のウォッシュコート、あるいは流れに対応するギャップを有する、流れの向きに平行なガーゼなどの側流担体構造物上に担持してもよい。図２１に側流構造物の例が示される。図２１では、触媒８１０は、プロセスマイクロチャネル８１２内に収容されている。開放通路８１４によって、矢印８１６および８１８で示されるように、反応体はプロセスマイクロチャネル８１２を通って流れ、触媒８１０と接触することができる。
触媒は、発泡体、詰め物、ペレット、粉体またはガーゼなどの貫通流担体構造物の上に担持してもよい。図２２に貫通流構造物の例が示される。図２２で、貫通流触媒８２０は、プロセスマイクロチャネル８２２内に収容され、反応体は、矢印８２４および８２６で示されるように、触媒８２０を通って流れる。
担体は、シリカゲル、発泡銅、焼結ステンレス鋼繊維、スチールウール、アルミナ、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリスルホン酸塩、ポリ（テトラフルオロエチレン）、鉄、ニッケルスポンジ、ナイロン、ポリ二フッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンエチルケトン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリレート、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリブチレンまたはそれらの二つ以上の組み合わせを含む材料から形成してもよい。一実施態様では、担体構造物は、触媒からの除熱を容易にするために、金属などの伝熱材料で作ってもよい。
触媒は、プロセスマイクロチャネルの内壁の上に直接ウォッシュコートしてもよく、溶液から壁の上に成長させてもよく、あるいはフィン構造物の上にインサイチュ被覆してもよい。触媒は、多孔質連続材料の一片、または物理的に接触する多数の小片の形であってもよい。一実施態様では、触媒は、連続材料を含み、分子が触媒を通って拡散することができるように、連続する多孔質構造を有してもよい。この実施態様では、流体は、触媒の周りではなく、触媒を通って流れてもよい。一実施態様では、触媒の断面積は、プロセスマイクロチャネルの断面積の約１から約９９％、一実施態様では約１０から約９５％を占めるとよい。触媒は、ＢＥＴ法で測定して、約０．５ｍ２／ｇより大きな、一実施態様では約２ｍ２／ｇより大きな、一実施態様では約５ｍ２／ｇより大きな、一実施態様では約１０ｍ２／ｇより大きな、一実施態様では約２５ｍ２／ｇより大きな、一実施態様では約５０ｍ２／ｇより大きな表面積を有するとよい。
触媒は、多孔質担体、多孔質担体上の界面層、および界面層上に分散されるかまたは析出された触媒材料を含んでよい。界面層は、担体上に溶液析出させるか、あるいは化学蒸着法または物理蒸着法によって析出させてもよい。一実施態様では、触媒は、多孔質担体、オプションとして担体の上にあるバッファ層、担体またはオプションのバッファ層の上にある界面層、および界面層上に分散されるかまたは析出される触媒材料を含む。前述の層のどれも連続的であってもよく、あるいは、スポットまたはドットの形、またはギャップまたは空孔を有する層の形のように不連続的であってもよい。
多孔質担体は、水銀ポロシメトリーで測定して、少なくとも約５％の多孔率、および約１から約１０００μｍの平均細孔サイズ（細孔直径の総和を細孔の数で除した商）を有するとよい。多孔質担体は、担体構造物を作るのに有用であると特定された上記の材料の任意のもので作ってよい。多孔質担体は、多孔質セラミック担体または金属発泡体を含んでもよい。用いることができるその他の多孔質担体は、炭化物、窒化物および複合材料を含む。多孔質担体は、約３０％から約９９％、一実施態様では約６０％から約９８％の多孔率を有するとよい。多孔質担体は、発泡体、フェルト、詰め物またはそれらの組み合わせの形であってもよい。金属発泡体の開放セルは、インチあたり約２０細孔（ｐｐｉ）から約３０００ｐｐｉ、一実施態様では約２０から約１０００ｐｐｉ、一実施態様では約４０から約１２０ｐｐｉの範囲にあるとよい。用語「ｐｐｉ」は、インチあたりの細孔の最大数を指す（等方性材料の中では測定の方向はどれでもよいが、異方性材料の中では細孔数が最大になる方向で測定を実行する）。
バッファ層は、存在するなら、多孔質担体および界面層の両方と異なる組成および／または密度を有してもよく、一実施態様では、多孔質担体の熱膨張係数と界面層の熱的膨張係数との中間の熱膨張係数を有するとよい。バッファ層は、金属酸化物または金属炭化物であってもよい。バッファ層は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２またはそれらの組み合わせで構成してもよい。Ａｌ２Ｏ３は、α‐Ａｌ２Ｏ３、γ‐Ａｌ２Ｏ３またはそれらの組み合わせであってもよい。α‐Ａｌ２Ｏ３を用いると、酸素拡散に対する優れた抵抗の利点が得られる。バッファ層は、二つ以上の組成的に異なる副層で形成してもよい。例えば、多孔質担体が金属、例えばステンレス鋼発泡体であるとき、二つの組成的に異なる副層で形成されたバッファ層を用いてもよい。第一の副層（多孔質担体と接触する）は、ＴｉＯ２であってもよい。第二の副層は、ＴｉＯ２上に配置されたα‐Ａｌ２Ｏ３であってもよい。一実施態様では、α‐Ａｌ２Ｏ３副層は緻密層であり、下にある金属表面の保護を提供する。次に、触媒活性層のための担体として、アルミナなどのこれより密度の低い大表面積界面層を析出させてもよい。
多孔質担体は、界面層の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有してもよい。そのような場合、二つの熱膨張係数の間を調節するために、バッファ層が必要なことがある。バッファ層の組成を制御することによってバッファ層の熱膨張係数を微調整し、多孔質担体の膨張係数および界面層の膨張係数と適合する膨張係数を得てもよい。下にある担体の優れた保護を提供するために、バッファ層には開口およびピンホールがない方がよい。バッファ層は、非多孔質であってもよい。バッファ層は、多孔質担体の平均細孔サイズの半分より小さな厚さを有してもよい。バッファ層は、約０．０５から約１０μｍ、一実施態様では約０．０５から約５μｍの厚さを有するとよい。
本発明の一実施態様では、バッファ層を用いなくても、適当な接着強さおよび化学的安定性を得ることができる。この実施態様では、バッファ層を省略してもよい。
界面層は、窒化物、炭化物、硫化物、ハロゲン化物、金属酸化物、炭素、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。界面層は、大きな表面積を提供し、および／または、担持触媒のために望ましい触媒‐担体相互作用を提供する。界面層は、触媒担体として通常用いられる任意の材料で構成してよい。界面層は、金属酸化物で構成してもよい。用いることができる金属酸化物の例は、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、ランタン系列酸化物（単数または複数）、ゼオライト（単数または複数）およびそれらの組み合わせを含む。界面層は、それ以外の触媒活性材料を上に析出させずに、触媒活性層として使用してもよい。しかし、通常、界面層は、触媒活性層と組み合わせて用いられる。界面層は、二つ以上の組成的に異なる副層で形成してもよい。界面層は、多孔質担体の平均細孔サイズの半分より小さい厚さを有してもよい。界面層の厚さは、約０．５から約１００μｍ、一実施態様では約１から約５０μｍの範囲にあるとよい。界面層は、結晶性であってもよく、非晶質であってもよい。界面層は、少なくとも約１ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有するとよい。
触媒は、界面層の上に析出させてもよい。あるいは、触媒材料は、界面層と同時に析出させてもよい。触媒層は、界面層の上に密に分散させてもよい。触媒層を界面層「の上に分散させる」または「の上に析出させる」とは、微視的な触媒粒子を以下のもの、すなわち、担体層（すなわち界面層）表面の上に、担体層の中の裂け目の中に、および担体層の中の開口細孔の中に、分散させるという通常の理解を含む。
触媒は、プロセスマイクロチャネルの中に配置された一つ以上のフィンのアセンブリの上に担持してもよい。図２３〜２５に例が示される。図２３を参照すると、フィンアセンブリ８３０は、プロセスマイクロチャネル８３８の基壁８３６の上にあるフィン支持体８３４の上に取り付けられたフィン８３２を含む。フィン８３２は、フィン支持体８３４からプロセスマイクロチャネル８３８の内部に突き出ている。フィン８３２は、プロセスマイクロチャネル８３８の上部壁８４０の内部表面まで延在している。フィン８３２の間のフィンチャネル８４２は、流体がプロセスマイクロチャネル８３８を通ってプロセスマイクロチャネル８３８の長さと平行に流れるための通路を提供する。フィン８３２のそれぞれは、側面のそれぞれに外部表面を有し、この外部表面は、触媒のための担体基部を提供する。本発明のプロセスでは、反応体は、フィンチャネル８４２を通って流れ、フィン８３２の外部表面に担持された触媒と接触し、反応して生成物を形成する。図２４に例が示されるフィンアセンブリ８３０ａは、フィン８３２ａがマイクロチャネル８３８の上部壁８４０の内部表面まで延在していないことを除けば、図２３に例が示されたフィンアセンブリ８３０と同様である。図２５に例が示されるフィンアセンブリ８３０ｂは、フィンアセンブリ８３０ｂのフィン８３２ｂが台形の形の断面を有することを除けば、図２３に例が示されたフィンアセンブリ８３０と同様である。フィン（８３２、８３２ａ、８３２ｂ）のそれぞれは、約０．０２ｍｍから最大でプロセスマイクロチャネル８３８の高さ、一実施態様では約０．０２から約１０ｍｍ、一実施態様では約０．０２から約５ｍｍ、一実施態様では約０．０２から約２ｍｍの範囲の高さを有するとよい。各フィン（８３２、８３２ａ、８３２ｂ）の幅は、約０．０２から約５ｍｍ、一実施態様では約０．０２から約２ｍｍ、一実施態様では約０．０２から約１ｍｍの範囲にあるとよい。各フィン（８３２、８３２ａ、８３２ｂ）の長さは、最大でプロセスマイクロチャネル８３８の長さ、一実施態様では最大約１０ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約１０ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約５ｍ、一実施態様では約１ｃｍから約２．５ｍの任意の長さであるとよい。フィンのそれぞれ（８３２、８３２ａ、８３２ｂ）の間のギャップは、任意の値であってよく、約０．０２から約５ｍｍ、一実施態様では約０．０２から約２ｍｍ、一実施態様では約０．０２から約１ｍｍの範囲にあるとよい。プロセスマイクロチャネル８３８中のフィン（８３２、８３２ａ、８３２ｂ）の数は、プロセスマイクロチャネル８３８の幅のセンチメートルあたり約１から約５０フィン、一実施態様ではセンチメートルあたり約１から約３０フィン、一実施態様ではセンチメートルあたり約１から約１０フィン、一実施態様ではセンチメートルあたり約１から約５フィン、一実施態様ではセンチメートルあたり約１から約３フィンの範囲にあるとよい。上記で示されたように、フィンのそれぞれは、図２３または２４に例が示される長方形または正方形、あるいは図２５に例が示される台形の形の断面を有するとよい。長さ方向に見て、各フィン（８３２、８３２ａ、８３２ｂ）は、直線形、テーパ形であってもよく、あるいは蛇行構成を有してもよい。フィンアセンブリ（８３０、８３０ａ、８３０ｂ）は、プロセスマイクロチャネルの目的の動作を可能にするのに十分な強さ、寸法安定性および伝熱特性を提供する任意の材料で作ってよい。これらの材料は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼および類似鋼）、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、前記の金属の任意のものの合金、重合体（例えば熱硬化性樹脂）、セラミックス、ガラス、一つ以上の重合体（例えば熱硬化性樹脂）とガラス繊維とを含む複合体、石英、ケイ素、またはそれらの二つ以上の組み合わせを含む。フィンアセンブリ（８３０、８３０ａ、８３０ｂ）は、Ｆｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＹを含む合金などのＡｌ２Ｏ３形成材料、またはＮｉ、ＣｒおよびＦｅの合金などのＣｒ２Ｏ３形成材料で作るとよい。
一実施態様では、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）の中の反応区域（２１２、３１２、４１３、５１５、５２５、５３５、５４５、６１５、９４４、９５４、９５５、９６４、９６４Ａ、９７３、９７３Ａ）は、バルク流路を有することを特徴としてもよい。用語「バルク流路」は、プロセスマイクロチャネルの中の開放流路（連続するバルクの流れの領域）を指す。連続するバルクの流れの領域は、大きな圧力降下なしでマイクロチャネルを通る迅速な流体の流れを可能にする。一実施態様では、バルクの流れの領域の中の流体の流れは層流である。各プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）内のバルクの流れの領域は、約０．０５から約１０，０００ｍｍ２、一実施態様では約０．０５から約５０００ｍｍ２、一実施態様では約０．１から約２５００ｍｍ２の断面積を有するとよい。バルクの流れの領域は、プロセスマイクロチャネルの断面の約５％から約９５％、一実施態様では約３０％から約８０％を含むとよい。
本発明の一実施態様では、触媒に必要な拡散路を限定することによって、比較的短い接触時間、所望の生成物への高い選択性および比較的低い触媒の不活性化の速度を実現することができる。例えば、触媒が、金属発泡体などの加工支持体の上、またはプロセスマイクロチャネルの壁の上の薄層の形のとき、これを実現することができる。これによって、空間速度の増加が可能になる。一実施態様では、薄い触媒層は、化学蒸着法を用いて作り出すことができる。この薄い層は、最大約１ミクロン、一実施態様では約０．１から約１ミクロンの範囲、一実施態様では約０．２５ミクロンの厚さを有するとよい。これらの薄い層は、拡散経路を短くすることによって、反応体が活性触媒構造内にある時間を短縮することができる。これによって、反応体が触媒の活性部分の中で費やす時間が短くなる。その結果、生成物への選択率を増加させ、望ましくない副生物を減少させることができる。この触媒配備モードの一利点は、熱伝導率の低い不活性なバインダの中に触媒の活性部分が結合されている従来の触媒とは異なり、活性な触媒膜は、加工された構造物またはプロセスマイクロチャネルの壁のどちらかと密接に接触する点である。これによって、マイクロチャネル反応器の中で実現することができる伝熱速度を大きくし、温度を細かく制御することができる。その結果、望ましくない副生物の形成を促進せずに、より高い温度（より速い反応速度）で動作する能力、ひいては、より高い生産性、収率および触媒寿命の延長が実現される。
一実施態様では、触媒は、再生してもよい。これは、プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）を通して再生用流体を流し、触媒と接触させることによって実行してもよい。再生用流体は、水素または希釈水素の流れを含んでもよい。希釈体は、窒素、アルゴン、水蒸気、メタン、二酸化炭素、またはそれらの二種以上の混合物を含んでもよい。再生用流体中のＨ２の濃度は、最大約１００体積％、一実施態様では約１から約１００体積％、一実施態様では約１から約５０体積％であるとよい。再生用流体は、ヘッダ１０４からプロセスマイクロチャネルを通ってフッタ１０６へ、またはフッタ１０６からプロセスマイクロチャネルを通ってヘッダ１０４へ反対の向きに流れてもよい。再生用流体の温度は、約２０から約６００℃、一実施態様では約２０から約４００℃、一実施態様では約８０から約２００℃であるとよい。この再生工程の間のプロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）内の圧力は、約１から約１００絶対気圧、一実施態様では約１から約１０気圧の範囲にあるとよい。プロセスマイクロチャネルの中の再生用流体の滞留時間は、約０．００１から約１０秒、一実施態様では約０．１秒から約１秒の範囲にあるとよい。
プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）内の反応体および生成物と触媒との接触時間は、最大約１００秒、一実施態様では約１ミリ秒（ｍｓ）から約１００秒の範囲、一実施態様では約１ｍｓから約５０秒の範囲、一実施態様では約１ｍｓから約２５秒の範囲、一実施態様では約１ｍｓから約１０秒の範囲、一実施態様では約１ｍｓから約１秒、一実施態様では約１ｍｓから約５００ｍｓ、一実施態様では約１ｍｓから約２００ｍｓ、一実施態様では約１ｍｓから約１００ｍｓ、一実施態様では約１ｍｓから約５０ｍｓ、一実施態様では約１ｍｓから約２０ｍｓ、一実施態様では約１ｍｓから約１０ｍｓの範囲にあるとよい。
プロセスマイクロチャネル（２１０、３１０、４１０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、９４０、９５０、９６０、９６０Ａ、９７２、９７２Ａ）の中を流れる流体の流速は、約０．００１から約５００ｌｐｍ、一実施態様では約０．００１から約２５０ｌｐｍ、一実施態様では約０．００１から約１００ｌｐｍ、一実施態様では約０．００１から約５０ｌｐｍ、一実施態様では約０．００１から約２５ｌｐｍ、一実施態様では約０．０１から約１０ｌｐｍの範囲にあるとよい。プロセスマイクロチャネルの中を流れる流体の速度は、約０．０１から約２００ｍ／ｓ、一実施態様では約０．０１から約７５ｍ／ｓ、一実施態様では約０．０１から約５０ｍ／ｓ、一実施態様では約０．０１から約３０ｍ／ｓ、一実施態様では約０．０２から約２０ｍ／ｓの範囲にあるとよい。プロセスマイクロチャネルの中を流れる流体のレイノルズ数は、約０．０００１から約１０００００、一実施態様では約０．００１から約１００００の範囲にあるとよい。
マイクロチャネル反応器コア１０２の中の反応体および生成物の流れの時間あたり重量空間速度（ＷＨＳＶ）は、少なくとも約０．１（ｍｌ原料）／（ｇ触媒）（時間）であるとよい。ＷＨＳＶは、約０．１から約５０００の範囲にあるとよく、一実施態様ではＷＨＳＶは、約１から約５００（ｍｌ原料）／（ｇ触媒）（時間）の範囲にあるとよく、一実施態様ではＷＨＳＶは約１０から約５００（ｍｌ原料）／（ｇ触媒）（時間）の範囲にあるとよい。
理論にこだわることは望まないが、反応時に気相と液相との両方が存在する反応の場合、プロセスマイクロチャネルの中の空塔速度が高いと有利になることがある。これは、流体のせん断応力が、触媒の表面の上に通常形成される薄い液体層に作用することができるからである。液膜層が薄いほど反応体の触媒表面への物質移動抵抗が減少し、比較的短い反応体の接触時間、例えば約５００ミリ秒より短い接触時間で、反応率を高くすることができる。一実施態様では、プロセスマイクロチャネルを通って流れる流体の空塔速度は、秒あたり少なくとも約０．０１メートル（ｍ／ｓ）、一実施態様では約０．０１から約５０ｍ／ｓの範囲、一実施態様では約０．０１から約１０ｍ／ｓの範囲、一実施態様では約０．０１から約１ｍ／ｓの範囲、一実施態様では約０．０５から約０．５ｍ／ｓの範囲にあるとよい。
マイクロチャネル反応器（１００、９００、９００Ａ、９９０）または反応器コア（１０２、９０２）に入る反応体の温度は、約−４０℃から約４００℃、一実施態様では約０℃から約４００℃、一実施態様では約２０℃から約３００℃、一実施態様では約２０℃から約２５０℃、一実施態様では約２０℃から約２００℃の範囲にあるとよい。
プロセスマイクロチャネル内の温度は、約−４０℃から約４００℃、一実施態様では約０℃から約４００℃、一実施態様では約２０℃から約３００℃、一実施態様では約２０℃から約２５０℃、一実施態様では約２０℃から約２００℃の範囲にあるとよい。
マイクロチャネル反応器（１００、９００、９００Ａ、９９０）または反応器コア（１０２、９０２）から出る生成物の温度は、約−４０℃から約４００℃、一実施態様では約０℃から約４００℃、一実施態様では約２０℃から約３００℃、一実施態様では約２０℃から約２５０℃、一実施態様では約２０℃から約２００℃の範囲にあるとよい。
プロセスマイクロチャネル内の圧力は、最大約５０絶対気圧、一実施態様では最大約４０気圧、一実施態様では最大約３０気圧の範囲にあるとよい。一実施態様では、圧力は約１から約５０絶対気圧、一実施態様では約１０から約４０気圧、一実施態様では約２０から約３０気圧の範囲にあるとよい。
反応体および／または生成物がプロセスマイクロチャネルの中を流れるときの圧力降下は、プロセスマイクロチャネルの長さのメートルあたり最大約１気圧（ａｔｍ／ｍ）、一実施態様では最大約０．５ａｔｍ／ｍの範囲、一実施態様では最大約０．１ａｔｍ／ｍであるとよい。
開口区間（２５０、３５０、３７０、４４０、４４０ａ、５１１、５２１、５３１、５４１、６４０、６５０、６６０、６７０、９２３、９２５、９２３Ａ、９２５Ａ、９７４、９７４Ａ）を通って流れる第二の反応体の圧力降下は、最大約０．１気圧、一実施態様では約０．００１から約０．１気圧、一実施態様では約０．００１から約０．０５気圧、一実施態様では約０．００１から約０．００５気圧の範囲にあるとよい。プロセスマイクロチャネルを通って流れる反応体および生成物は、蒸気、液体、または蒸気と液体との混合物の形であるとよい。プロセスマイクロチャネルを通る蒸気の流れのレイノルズ数は、約１０から約１００００、一実施態様では約１００から約３０００の範囲もあるとよい。プロセスマイクロチャネルを通る液体の流れのレイノルズ数は、約１０から約１００００、一実施態様では約１００から約３０００であるとよい。
第一の反応体の反応率は、サイクルあたり約５％以上、一実施態様では約１５から約１００％の範囲にあるとよい。
第二の反応体の反応率は、サイクルあたり約２５％以上、一実施態様では約２５から約１００％の範囲にあるとよい。
生成物の収率は、サイクルあたり約２０％以上、一実施態様ではサイクルあたり約２０から約５０％の範囲にあるとよい。
長方形の断面と、０．０４０×１．２５×３インチ（１．０２×３１．７５×７６．２ｍｍ）の内部寸法を有するアクリルのプロセスマイクロチャネルを含むマイクロチャネル反応器が構築される。プロセスマイクロチャネルは、側壁の一つの中に開口区間を有する。開口区間は、０．１ミクロンの名目開口または細孔サイズと、０．０１０×１×１．５インチ（０．２５４×２５．４×３８．１ｍｍ）の寸法とを有する。開口区間は、ステンレス鋼３１６Ｌで構築され、コネチカット州ファーミントン（Ｆａｒｍｉｎｇｔｏｎ，ＣＴ）のモット社（Ｍｏｔｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からカタログ番号１１１０‐１２‐１２‐０１８‐０１‐Ａで供給される。開口区間は、開口区間を通ってプロセスマイクロチャネルに流れ込む気体の流れを可能にするために、気体分配プレナムおよび配管に接続される。触媒は、パラジウム黒であり、ナノサイズの粒子の形であり、カーボンブラックを分散／結合材として用いてプロセスマイクロチャネルの内壁の上に分散される。プロセスマイクロチャネルは、プロセスマイクロチャネルを通る液体の流れを可能にするために、配管に接続される。気体は、開口区域を通ってプロセスマイクロチャネルに流れ込み、プロセスマイクロチャネルを通って流れる液体と接触する。気体は、開口区間の開口を通って流れるとき、プロセスマイクロチャネルの中の液体の中で泡を形成する。このプロセスは、水素を気体として、不飽和植物油を液体として用いて実行される。水素の流量は毎分５標準立方センチメートル（ＳＣＣＭ）であり、植物油の流量は毎分６０ミリリットル（ｍｌ／ｍｉｎ）である。温度は２５℃である。植物油の中に、５から２５ミクロンの範囲の直径を有する水素の泡が形成される。水素は、植物油と反応してマーガリンを形成する。
さまざまな実施態様に関して本発明を説明してきたが、本明細書を読めば、実施態様のさまざまな変更形は当業者にとって自明であると理解される。従って、本明細書に開示される本発明は、そのような変更形を請求項の範囲に属するものとして包含することを意図すると理解される。
本発明のプロセスで用いることができるマイクロチャネルの概略図である。 特定の形の本発明のプロセスの概略図である。第一の反応体と第二の反応体とがマイクロチャネル反応器に流れ込み、互いにおよび触媒と接触し、反応して所望の生成物を形成する。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、開口区間、第二の反応体流チャネルおよび熱交換チャネルを含む繰り返し単位の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、開口区間、第二の反応体流チャネルおよび熱交換チャネルを含む繰り返し単位の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、開口区間、第二の反応体流チャネルおよび熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、開口区間、第二の反応体流チャネル、熱交換チャネルおよび別の熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、開口区間、第二の反応体流チャネルおよび熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、開口区間、第二の反応体流チャネル、別の開口区間、多段添加液体触媒チャネルおよび熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、二つの開口区間、二つの第二の反応体流チャネルおよび熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、四つのプロセスマイクロチャネル、四つの開口区間、二つの第二の反応体流チャネルおよび二つの熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 図２に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネル、二つの第二の反応体流チャネル、四つの開口区間および熱交換チャネルを含む繰り返し単位の別の代替実施態様の概略図である。 熱処理される前の多孔質ステンレス鋼基板の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。この基板は、本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作るために用いることができる。 熱処理された後の図１２に例が示された基板のＳＥＭ像である。この基板は、本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作るために用いることができる。 本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作るために用いることができる手直しされた多孔質基板のＳＥＭ像である。 本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作る際に有用なことがある開口シートの平面図である。 本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作る際に有用なことがある開口シートまたはプレートの平面図である。 本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作る際に用いることができる、比較的厚い開口シートまたはプレートの上の比較的薄いシートの概略図である。 本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間を作る際に用いることができる、比較的厚い開口シートまたはプレートの上の比較的薄いシートの概略図である。 本発明のプロセスで用いられるプロセスマイクロチャネルの開口区間の中で用いることができる開口の代替実施態様の概略図である。開口は被覆を有する。被覆は開口を部分的に充填し、開口の側壁の上にある。 本発明のプロセスで用いることができるプロセスマイクロチャネルの概略図である。このプロセスマイクロチャネルは、充填床構成を有する触媒を含む。 本発明のプロセスで用いることができるプロセスマイクロチャネルの概略図である。このプロセスマイクロチャネルは、側流構成を有する触媒を含む。 本発明のプロセスで用いることができるプロセスマイクロチャネルの概略図である。このプロセスマイクロチャネルは、貫通流構成を有する触媒を含む。 本発明のプロセスで用いることができるプロセスマイクロチャネルの概略図である。このプロセスマイクロチャネルは、複数のフィンを含むフィンアセンブリを含み、フィンには触媒が担持されている。 図２３に例が示されたプロセスマイクロチャネルとフィンアセンブリとの代替実施態様の例が示される。 図２３に例が示されたプロセスマイクロチャネルとフィンアセンブリとの別の代替実施態様の例が示される。 本発明のプロセスの動作の間の気泡または液泡の形成を示す概略図である。 本発明のプロセスで用いられるマイクロチャネルの中に設けることができる表面構成要素の概略図である。 本発明のプロセスで用いられるマイクロチャネルの中に設けることができる表面構成要素の概略図である。 本発明のプロセスで用いられるマイクロチャネルの中に設けることができる表面構成要素の概略図である。 本発明のプロセスで用いられるマイクロチャネルの中に設けることができる表面構成要素の概略図である。 本発明のプロセスで用いられるマイクロチャネルの中に設けることができる表面構成要素の概略図である。 特定の形の本発明のプロセスの代替実施態様の概略図である。第一の反応体と第二の反応体とがマイクロチャネル反応器に流れ込み、原料流ヘッダの中で互いに接触し、多相反応混合物を形成する。多相反応液は、次に、原料流ヘッダからプロセスマイクロチャネルを通ってマイクロチャネル反応器コアの中を流れ、触媒と接触して所望の生成物を形成する。 特定の形の本発明のプロセスの別の代替実施態様の概略図である。第一の反応体と第二の反応体とがマイクロチャネル反応器に流れ込み、原料流ヘッダの中で互いに接触し、多相反応混合物を形成する。多相反応液は、次に、プロセスマイクロチャネルを通ってマイクロチャネル反応器コアの中を流れ、触媒と接触して所望の生成物を形成する。 図３２または図３３に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネルと熱交換チャネルとを含む繰り返し単位の概略図である。プロセスマイクロチャネルは、反応区域を含む。 図３２または図３３に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、プロセスマイクロチャネルと熱交換チャネルとを含む繰り返し単位の概略図である。プロセスマイクロチャネルは、二つの反応区域を含む。 図３２または図３３に例が示されたマイクロチャネル反応器の中で用いることができる、隣接する複数プロセスマイクロチャネルと一つの熱交換チャネルとを含む繰り返し単位の概略図である。 隣接する複数プロセスマイクロチャネル、複数プロセスマイクロチャネルに隣接する複数熱交換区域、および第二の反応体を第一の反応体の中に分散させて多相反応混合物を形成させるためのマニホルドを含む繰り返し単位の概略図である。多相反応混合物は、複数プロセスマイクロチャネルの中の複数反応区域を通って流れ、所望の生成物を形成する。 図３７に例が示された繰り返し単位の一つ以上を収容するためのマイクロチャネル反応器の概略図である。

Claims (56)

  1. 多相反応を実行するための方法であって、
    第一の反応体と第二の反応体とを含む多相反応混合物を形成させる工程であって、前記第一の反応体は、少なくとも一つの液体を含み、前記第二の反応体は、少なくとも一つの気体、少なくとも一つの液体、または少なくとも一つの気体と少なくとも一つの液体との組み合わせを含み、前記第一の反応体は、前記多相反応混合物の中の連続相を形成し、前記第二の反応体は、前記連続相の中に分散した気泡および／または液滴を形成する工程、および
    前記第一の反応体および前記第二の反応体を、反応体を反応させるマイクロチャネルであるプロセスマイクロチャネルの中に流し、前記第一の反応体と前記第二の反応体とを、少なくとも一つの触媒の存在下、プロセスマイクロチャネルの中で反応させて少なくとも一つの生成物を形成させる工程
    を含み、前記プロセスマイクロチャネルに入る前記第一の反応体の温度は、前記プロセスマイクロチャネルから出る前記生成物の温度から２００℃の範囲内にあり、
    前記プロセスマイクロチャネルは、少なくとも一つの側壁と、前記側壁の軸方向長さの少なくとも一部に沿って延在する少なくとも一つの開口区間とを含み、前記第二の反応体は、第二の反応体流チャネルから前記開口区間を通って前記プロセスマイクロチャネルに流れ込み、前記第一の反応体と接触して前記多相反応混合物を形成し、
    前記プロセスマイクロチャネルは、前記第二の反応体流チャネルに隣接し、前記プロセスマイクロチャネルと前記第二の反応体流チャネルとは、共通の壁と、前記共通の壁の中にある前記開口区間とを有する方法。
  2. 前記気泡および／または液滴は、０．１から１００μｍの範囲の体積基準平均直径、および１から１０の範囲のスパンを有し、前記スパンは以下の数式で表される値であり、
    Figure 0005704786
     式中、Ｄ［ｖ，０．１］は、体積比で１０％の気泡または液滴の直径が該Ｄ［ｖ，０．１］より小さいことを表す値であり、Ｄ［ｖ，０．５］は、体積比で５０％の気泡または液滴の直径が該Ｄ［ｖ，０．５］より小さいことを表す値であり、Ｄ［ｖ，０．９］は、体積比で９０％の気泡または液滴の直径が該Ｄ［ｖ，０．９］より小さいことを表す値である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記プロセスマイクロチャネルと、発熱源および／または吸熱源との間で熱が交換される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記多相反応混合物は、前記プロセスマイクロチャネルの中で形成される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記方法は、マイクロチャネル反応器の中で実行され、前記マイクロチャネル反応器は、複数のプロセスマイクロチャネルと、前記反応体を前記プロセスマイクロチャネルに分配するための少なくとも一つのヘッダとを含み、前記多相反応混合物は、前記ヘッダの中で形成され、前記ヘッダから前記プロセスマイクロチャネルに流れ込む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ヘッダは、第一の反応体区域、少なくとも一つの第二の反応体区域、および前記第一の反応体区域と前記第二の反応体区域との間に配置された開口区間を含み、前記第二の反応体は、前記第二の反応体区域から前記開口区間を通って前記第一の反応体区域に流れ込み、前記第一の反応体と接触して前記多相反応混合物を形成し、前記多相反応混合物は、前記第一の反応体区域から前記プロセスマイクロチャネルに流れ込む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記プロセスマイクロチャネルの中に反応区域があり、前記第二の反応体は、前記反応区域の中で前記第一の反応体と接触して前記多相反応混合物を形成する、または前記プロセスマイクロチャネルの中に混合区域と反応区域とがあり、前記混合区域は、前記反応区域の上流にあり、前記第二の反応体は、前記混合区域の中で前記第一の反応体と接触して前記多相反応混合物を形成する、または前記プロセスマイクロチャネルの中に混合区域と反応区域とがあり、前記混合区域は、前記反応区域の上流にあり、前記第二の反応体は、前記第一の反応体と接触して前記多相反応混合物を形成し、前記第二の反応体の一部は、前記混合区域の中で前記第一の反応体と接触し、前記第二の反応体の一部は、前記反応区域の中で前記第一の反応体と接触する、請求項１に記載の方法。
  8. 前記プロセスマイクロチャネルは、二つ以上の反応区域を含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記プロセスマイクロチャネルは、最大１０ｍｍ、または最大２ｍｍの幅または高さの内部寸法を有する、請求項１に記載の方法。
  10. 前記第二の反応体流チャネルは、最大１０ｍｍ、または最大２ｍｍの幅または高さの内部寸法を有する、請求項１に記載の方法。
  11. 前記開口区間は、多孔質材料から作られ、前記多孔質材料は、金属、非金属および／または酸化物である、請求項１に記載の方法。
  12. 前記発熱源および／または吸熱源は、前記プロセスマイクロチャネルに隣接する、請求項３に記載の方法。
  13. 前記発熱源および／または吸熱源は、少なくとも一つの熱交換チャネルを含み、前記熱交換チャネルは、マイクロチャネルを含む、請求項３に記載の方法。
  14. 前記発熱源および／または吸熱源は、少なくとも一つの電熱素子、抵抗加熱器および／または非流体冷却素子を含む、請求項３に記載の方法。
  15. 前記第二の反応体流チャネルは、前記チャネル内の流れおよび／または混合を変化させるために、一つ以上の内壁の中および／または上に形成された表面構成要素を含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記熱交換チャネルは、前記熱交換チャネル内の流れおよび/または混合を変化させるために、一つ以上の内壁の中および/または上に形成された表面構成要素を含む、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記プロセスマイクロチャネルは、前記反応体の流れおよび/または混合を変化させるために、前記プロセスマイクロチャネル内壁の一つ以上の中および／または上に形成された表面構成要素を含む、請求項１に記載の方法。
  18. 前記表面構成要素は、前記プロセスマイクロチャネルを通る流体の流れの方向に対してある角度で配向した、前記マイクロチャネル内壁の一つ以上の中のくぼみ、および／または前記マイクロチャネル内壁の一つ以上からの突起物の形である、または前記表面構成要素は、少なくとも二つの表面構成要素領域を含み、第一の表面構成要素領域の中で前記第一の反応体と第二の反応体との混合が実行された後、第二の表面構成要素領域の中を流れ、前記第二の表面構成要素領域の中の流れパターンは、前記第一の表面構成要素領域の流れパターンと異なる、または一つ以上の未反応反応体と前記生成物とを含む反応混合物が前記第一の表面構成要素領域の中で形成され、前記第二の表面構成要素領域の中を流れ、一つ以上の前記未反応反応体および／または前記生成物が前記反応混合物から分離される、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記開口区間は、前記プロセスマイクロチャネルの内壁の一つ以上の一部を形成する内部部分を含み、前記開口区間の前記内部部分の上に表面構成要素シートがあり、前記表面構成要素シートの中および／または上に表面構成要素がある、請求項１に記載の方法。
  20. 前記プロセスマイクロチャネルの中に流動床の形の固体粒子があり、前記プロセスマイクロチャネルは、その内壁の一つ以上の中および／または上に形成された、前記プロセスマイクロチャネルの中の流れおよび／または混合を変化させるための表面構成要素を含む、請求項１に記載の方法。
  21. 前記表面構成要素は、互いに上下に積み重ねられた、および／または、三次元パターンに織り合わせられた、二つ以上の層を含む、または前記表面構成要素は、円形、楕円形、正方形、長方形、格子形、Ｖ字形、波形またはそれらの組み合わせの形である、または前記表面構成要素は、主壁に副構成要素を含み、前記副構成要素は、ノッチ、波、ギザギザ、孔、ばり、格子形、扇形またはそれらの組み合わせの形の、より小さな表面構成要素である、請求項１７に記載の方法。
  22. 熱交換流体は、前記熱交換チャネルの中にあり、前記熱交換流体は、前記熱交換チャネルの中で相変化を行う、請求項１３に記載の方法。
  23. 前記発熱源および／または吸熱源と前記プロセスマイクロチャネルとの間の熱流束は、前記プロセスマイクロチャネルの表面積の平方センチメートルあたり０．０１から２５０ワットの範囲である、請求項３に記載の方法。
  24. 吸熱または発熱プロセスが前記熱交換チャネルの中で実行される、請求項１３に記載の方法。
  25. 前記多相反応混合物は、前記プロセスマイクロチャネルの中を流れ、前記熱交換チャネルの中を熱交換流体が、前記多相反応混合物の流れに対して交差流となる方向に流れる、請求項１３に記載の方法。
  26. 前記熱交換チャネルの中に熱交換流体があり、前記熱交換流体は、前記第一の反応体、前記第二の反応体、前記多相反応混合物、前記生成物またはそれらの二つ以上の混合物、または、空気、水蒸気、液体水、一酸化炭素、二酸化炭素、気体窒素、液体窒素、不活性気体、気体炭化水素、油または液体炭化水素の一種類以上を含む、請求項１３に記載の方法。
  27. 前記触媒は、少なくとも一つの酸化触媒、水素化分解触媒、水素化触媒、水和触媒、カルボニル化触媒、硫酸化触媒、スルホン化触媒、オリゴマー化触媒、重合触媒またはそれらの二つ以上の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
  28. 前記触媒は、固体粒子を含み、前記プロセスマイクロチャネルの少なくとも一つの内壁の上にある、または担体に担持されている、請求項１に記載の方法。
  29. 前記触媒は、担体に担持されており、前記担体は、シリカゲル、発泡銅、焼結ステンレス鋼繊維、スチールウール、アルミナ、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリスルホネート、ポリ（テトラフルオロエチレン）、鉄、ニッケルスポンジ、ナイロン、ポリ二フッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリブチレンまたはそれらの二つ以上の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
  30. 前記担体は、伝熱材料を含む、請求項２８に記載の方法。
  31. 前記担体は、Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅを含む合金、またはＦｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＹを含む合金を含む、請求項２８に記載の方法。
  32. 前記担体は、側流構成、貫通流構成、ハニカム構造物または蛇行構成を有する、請求項２８に記載の方法。
  33. 前記担体は、発泡体、フェルト、詰め物、フィンまたはそれらの二種類以上の組み合わせの構成を有する、請求項２８に記載の方法。
  34. 前記触媒は担体に担持され、前記担体は、少なくとも一つのフィン、または複数の平行な離間したフィンを含むフィンアセンブリを含む、請求項１に記載の方法。
  35. 前記触媒は、前記プロセスマイクロチャネルの中の反応区域の中にあり、前記反応区域は、前記プロセスマイクロチャネルの断面の５％から９５％を含むバルク流路を含む、請求項１に記載の方法。
  36. 前記触媒は、液体を含む、請求項１に記載の方法。
  37. 前記触媒は、前記第一の反応体と混合される、または前記触媒は、前記第二の反応体と混合される、請求項３６に記載の方法。
  38. 前記第一の反応体と前記第二の反応体との間の前記反応は、酸化反応、水素化分解反応、水素化反応、水和反応、カルボニル化反応、硫酸化反応、スルホン化反応、オリゴマー化反応、または重合反応を含む、請求項１に記載の方法。
  39. 前記第一の反応体は、植物油を含み、前記第二の反応体は、水素を含み、前記反応は、水素化反応である、請求項１に記載の方法。
  40. 前記第一の反応体と前記第二の反応体との間の前記反応は水素化反応であり、トランス異性体の形成は、前記生成物の１５重量％未満である、請求項１に記載の方法。
  41. 前記反応体および生成物と前記触媒との接触時間は、最大１００秒の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
  42. 前記プロセスマイクロチャネル内の温度は、−４０℃から４００℃の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
  43. 前記プロセスマイクロチャネル内の圧力は、１から５０絶対気圧の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
  44. 前記プロセスマイクロチャネルを通る反応体および生成物の流れの時間あたり重量空間速度は、少なくとも０．１（ｍｌ原料）／（ｇ触媒）（時間）である、請求項１に記載の方法。
  45. 前記プロセスマイクロチャネルを通る前記反応体および生成物の流れの圧力降下は、前記プロセスマイクロチャネルの長さのメートルあたり最大１気圧である、請求項１に記載の方法。
  46. 前記熱交換チャネルの中を熱交換流体が流れ、前記熱交換チャネルの中を流れる前記熱交換流体の圧力降下は、前記熱交換チャネルの長さのメートルあたり最大１気圧である、請求項１３に記載の方法。
  47. 前記第一の反応体及び前記第二の反応体が前記プロセスマイクロチャネルを一回通過する際の、前記第一の反応体の反応率は５％以上である、または前記第二の反応体の反応率は２５％以上である、または生成物の収率は２０％以上である、請求項１に記載の方法。
  48. 前記生成物は、前記プロセスマイクロチャネルから取り出され、前記プロセスは、前記プロセスマイクロチャネルを通して再生用流体を流し、前記触媒と接触させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  49. 前記反応体と生成物とは流体を含み、前記プロセスマイクロチャネルの中を流れる前記流体の空塔速度は、少なくとも毎秒０．０１メートルである、請求項１に記載の方法。
  50. 前記混合区域および/または前記反応区域の中に表面構成要素が配置される、請求項７に記載の方法。
  51. 二つ以上のプロセスマイクロチャネルが、前記熱交換チャネルと熱を交換する、請求項１３に記載の方法。
  52. 前記開口区間は、前記開口区間の前記軸方向長さに沿って、二つ以上の別々の原料導入点を含む、請求項１に記載の方法。
  53. 前記多相反応混合物は、固体粒子をさらに含む、または前記多相反応混合物は、発泡体をさらに含む、または前記多相反応混合物は、一つ以上の溶媒をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  54. 前記第二の表面構成要素領域は、前記プロセスマイクロチャネルの前記内壁の中に配置され、前記第二の表面構成要素領域の下流で別の第二の反応体が前記多相反応混合物と合流し、前記第二の表面構成要素領域の下流の前記プロセスマイクロチャネル内で別の反応が実行される、請求項１８に記載の方法。
  55. 前記プロセスマイクロチャネルの幅または高さは、前記プロセスマイクロチャネルの軸方向長さに沿って変化する、請求項１に記載の方法。
  56. 前記反応区域の下流の前記プロセスマイクロチャネルの中に毛管構造物または細孔スロートがあり、気体を液体から分離するために用いられる、請求項７に記載の方法。
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