KR100716461B1 - 기체상 반응물 촉매 반응의 화학 반응기 및 방법 - Google Patents

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안나리와이. 톤코비치
왕용
신피. 피치게랄드
제니퍼엘. 맥크로
개리엘. 로버츠
데이비드피. 밴드윌
로버트에스. 웨겡
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Abstract

본 발명은 화학 반응기와 기체상 반응물의 촉매 화학 반응 실행 방법 및 반응실을 제공하는 데에 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 이들 반응실 및 방법은 다공성 촉매 물질 내부에 분자 확산을 허용하는 공극 크기를 갖는 적어도 하나의 다공성 촉매 물질을 포함한다.

Description

기체상 반응물 촉매 반응의 화학 반응기 및 방법{A CHEMICAL REACTOR AND METHOD FOR GAS PHASE REACTANT CATALYTIC REACTIONS}
본 발명은 기체상 반응물 촉매 반응의 화학 반응기 및 방법에 관한 것이다.
본원에 사용한 바와 같이, "분자 확산" 이라 함은 유체의 이웃한 층 사이의 층류(laminar flow), 천이류, 또는 난류(turbulent flow)에서의 브라운 운동을 기초로 질량을 전달하는 전통적 의미로 사용되며, 정체하는 유체의 이웃한 층 사이의 질량 전달을 포함한다.
본원에 사용한 바와 같이, "누센(Knudsen) 확산" 이라 함은 누센 흐름, 또는 자유 분자 흐름을 의미하며, 분자의 평균 자유 경로는 예컨대 물질의 공극 크기를 통해 분자가 확산하는 흐름장의 특성 치수에 비해 길다. 누센 확산에서, 분자는 통상적으로 다른 기체상의 분자보다 벽에 충돌한다.
많은 촉매 반응은 기체상 반응물, 예컨대 수증기 개질(steam reforming), 부분산화, 수성가스순환(water gas shift) 등으로 시작한다. 그러나, 질량과 열전달의 제한 때문에 장비, 특히 반응기 부피는 일반적으로 크다. 종래 반응기는 약 1,000 에서 약 3600 hr-1 까지의 기체 매시간 공간 속도로 동작된다. 즉, 접촉시간은 질량과 열전달 제한 때문에 1초를 초과한다.
이러한 문제점들이 인식되었고, 마이크로채널이 질량과 열전달에 낮은 저항을 제공하여 프로세스 하드웨어 부피의 극적인 감소에 대한 기회를 창조하고 있는 것으로 밝혀져 왔기 때문에 마이크로채널 반응기에 관해 연구중에 있다. 여러 형태의 마이크로채널 반응기가 문헌에 공지되어 있다.
1998년 프란츠 등(Franz et al.) 및 1998년 로우 등(Lowe et al.)은 활성촉매(예컨대 백금, 은, 또는 다른 귀금속 등)를 마이크로채널 벽에 직접 코팅하는 것을 보고하였다. 이 접근법은 사용가능한 표면 영역이 마이크로채널 벽의 표면 영역 뿐이라는 단점이 있다.
1998a-b 바이스메이에르(Weissmeier) 및 호닉케(Honicke)는, 촉매가 침착되는 마이크로채널 벽 물질로부터 직접 다공성 경계면을 생성하는 것을 보고하였다. 알루미늄벽을 양극화 처리(anodize)하기 위해 나노미터 크기 범위(누센 확산만 허용)의 평균 공극 직경과 수 십 미크론 범위의 두께를 갖는 다공성 알루미늄 경계면을 생성하였다. 이 접근법은 알루미늄에만 적용 가능하며, 제한된 표면 영역이라는 단점을 갖는다. 양극화 처리 벽은 700개의 동일한 마이크로채널의 2차원 배열을 형성한다.
1998년 톤코비치(Tonkovich)/질카(Zilka) 등은 조밀한 마이크로베드 (microbed)로서 병렬(parallel) 마이크로채널의 배열 내에 직접 촉매 분말을 충진하는 것을 보고하였다. 단점은 조밀한 마이크로베드를 통해 유체가 흐르도록 하여 비교적 큰 압력강하를 유발하는 경향이 있다는 것이다.
1998년 톤코비치/지메네즈(Jimenez) 등은 공동(마이크로채널 보다 큰 크기의 차수보다 큼) 내에 메탈 니켈 폼(foam)에 지지된 팔라듐 촉매를 놓은 다음 열교환을 하기 위해 마이크로채널의 배열에 유출액을 공급하는 것을 보고하였다. 이것 또한, 단점은 메탈 폼(metal foam)을 통한 압력 강하가 크다는 점이다.
즉, 압력강하가 낮은 작은 반응 부피를 갖는, 빠른 반응 과정으로 촉매 반응을 위한 화학 반응기가 요구된다.
참고문헌
Figure 112002004731191-pct00001
Figure 112002004731191-pct00002
일 실시예에 있어서, 본 발명은 내부에 분자 확산을 허용하는 다공성(porosity)을 갖는 다공성 구조의 촉매 물질을 제공한다. 일 실시예에서 다공성 구조는 길이, 폭 및 두께를 갖고, 다공성 구조는 적어도 하나의 마이크로채널의 적어도 하나의 벽의 적어도 일부를 형성한다.
본 발명은, 적어도 하나의 다공성 촉매 물질을 구비하는 적어도 하나의 반응실과, 상기 적어도 하나의 반응실 각각이 반응실 벽에 의해 형성되는 내적을 갖는 적어도 하나의 개방 영역을 구비하는 화학 반응기를 제공한다. 상기 내적은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖는다. 상기 적어도 하나의 반응실은 약 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비한다. 상기 반응실 높이 또는 반응실 폭이 약 2mm 이하인 지점에서, 상기 반응실 높이와 상기 반응실 폭은 단면적을 형성한다. 상기 단면적은 다공성 촉매 물질과 개방 영역을 구비하고, 상기 다공성 촉매 물질은 5% 내지 95%의 단면적을 점유하고 상기 개방 영역은 5% 내지 95%의 단면적을 점유한다. 상기 개방 영역의 단면적은 5 x 10-8 내지 1 x 10-2 m2 의 연속하는 영역(contiguous)을 점유하고 상기 다공성 촉매 물질은 5 내지 98%의 공극 부피를 갖고 공극 부피의 20%를 넘는 부분이 0.1 내지 300 미크론의 크기를 갖는 공극을 구비한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 적어도 10의 길이 대 두께비를 갖는 촉매 봉, 판재 또는 배플(baffle)을 구비하는 적어도 하나의 반응실을 포함하며, 상기 적어도 하나의 반응실 각각은 반응실 벽으로 형성되는 내적을 갖는 화학반응기를 제공한다. 상기 내적은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖고, 상기 적어도 하나의 반응실은 약 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비한다. 반응실을 통한 압력 강하가 총 시스템 입구 압력의 20% 미만이 되도록 상기 반응실에 상기 촉매 봉, 판재 또는 배플이 놓여진다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 적어도 3층을 포함한 화학 반응기를 제공한다. 제1 다공성 촉매 물질을 구비하는 제1 층과, 열교환기와 제2 층을 통한 적어도 하나의 유체 흐름 경로를 구비하는 제2 층과, 제1 다공성 촉매물질을 통해 흐르는 유체가 적어도 일 유체 흐름 경로를 통과할 수 있도록 반응실에 상기 제2 층이 놓여진다. 반응실에 놓이는 제2 다공성 촉매 물질의 제3 층을 구비하며, 이 제3 층은 제2 층을 통과하는 흐름이 상기 제2 다공성 촉매 물질로 통과할 수 있도록 반응실에 제3 층이 놓여진다. 상기 제1 층은 채널 높이, 채널 폭 및 채널 길이의 치수를 갖는 연속 채널을 갖는다. 이 연속 채널은 0.1 마이크로미터에서 약 2 mm 이하의 채널 높이 및/또는 채널을 갖는다. 상기 제1 다공성 촉매 물질은 5 내지 98%의 공극 부피를 갖고 공극 부피의 20%를 넘는 부분이 0.1 내지 300 미크론의 크기를 갖는 공극을 구비한다.
본 발명은 또한 탄화수소 수증기 개질 방법을 포함한다. 이 방법에 있어서, 수증기와 탄화수소를 구비하는 반응물 스트림이 적어도 하나의 반응실로 통과된다. 상기 반응실은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖는 내적을 갖는다. 반응식 높이 또는 반응실 폭은 2mm 이하이다. 각각의 반응실은 시작부분과 끝부분을 갖는다. 반응실 길이는 반응실의 시작부분으로부터 끝부분까지의 거리이다. 반응실의 시작부분으로 유입하는 상기 반응물 스트림은 반응실을 빠져나가는 생성물 스트림으로 전환된다. 이 생성물 스트림은 수소, 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 포함하고; 상기 적어도 하나의 반응실의 상기 시작부분으로 유입하는 탄화수소의 상기 평형 전환(equilibrium conversion)의 적어도 70%는 수소, 일산화탄소 및/또는 이산화탄소로 전환된다. 이 반응물은 상기 탄화수소가 300 msec 미만의 접촉 시간을 갖는 조건하에서 실행된다.
본 발명은 또한 화학 반응기에서 화학 반응을 수행하는 방법을 제공한다. 이 방법에 있어서, 기체성 반응물이 제1 구획으로 통과된다. 상기 화학 반응기는 다공성 촉매 물질, 제1 구획 및 제2 구획을 구비한다. 제1 구획 및 제2 구획은 기체의 벌크 흐름을 허용하는 개방 공간을 갖는다. 상기 제1 구획은 구획 높이, 구획 폭 및 구획 길이의 치수의 내적을 갖는다. 상기 제1 구획의 높이 또는 폭은 약 2 mm 이하이다. 상기 다공성 촉매 물질은 상기 제1 구획과 상기 제2 구획 사이에 놓인다. 상기 기체성 반응물은 상기 다공성 촉매 물질 내에서 반응한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 화학 반응기에서 기체성 반응물을 제1 구획으로 통과시키는 화학 반응의 실행 방법을 제공한다. 반응실은 제1 구획과 제2 구획 및상기 제1 구획과 제2 구획 사이에 놓여진 파티션을 포함한다. 상기 파티션은 유체 분배 층 또는 분리제(separating agent)를 구비한다. 상기 제1 구획은 구획 높이, 구획 폭 및 구획 길이의 치수를 갖는 내적을 갖는다. 상기 제1 구획은 다공성 촉매의 물질과 기체의 벌크 흐름을 허용하는 적어도 하나의 개방 공간을 포함하고 약 2 mm 이하의 구획 높이 또는 구획 폭을 갖는다. 이 방법에서, 기체가 상기 파티션을 통해 이동한다. 바람직한 실시예에서, 상기 파티션은 흐름 분배 층을 포함하고, 기체성 반응물은 제2 구획으로부터 제1 구획으로 흐름 분배 층을 통해 대류적으로(convectively) 이동한다; 흐름 분배 시트(sheet)를 통해 이동한 후, 제1 구획에 포함된 다공성 촉매 물질 내에서 반응한다. 다른 실시예에서, 파티션은 제1 구획에 형성된 생성물을 선택적으로 분리하거나 분배공급장치에 사용하기 위해 공기에서 산소와 같은 반응물을 선택적으로 분리할 수 있는 막 또는 흡착제(sorbent)를 포함한다.
본 발명은 또한, 기체성 반응물을 적어도 하나의 반응실의 벌크 흐름 경로로 통과시키는 화학 반응의 수행 방법을 제공한다. 벌크 흐름 경로는 상기 반응실 길이 전체에 이웃(contiguous)한다. 상기 반응실은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖는 내적을 갖는다. 상기 적어도 하나의 반응실은 약 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비한다. 다공성 촉매 물질이 상기 내적 내에 놓이고, 기체성 반응물이 물질 내부에 분자적으로 확산되도록 상기 다공성 촉매 물질은 다공성 내부 구조를 갖는다. 상기 기체성 반응물은 다공성 촉매물질 내에서 반응하여 적어도 하나의 생성물을 형성한다.
본 발명의 각종 실시 형태는 하나 또는 두개의 반응실에 관하여 기술되고 청구되고 있지만, 본 발명은 반응기가 다수의 반응실을 포함할때 가장 효과적으로 동작할 수 있다는 것을 고려하므로, 본 발명은 하나의 반응실만을 갖는 반응기 및 반응방법에 한정하는 것이 아니다. 각종 실시예에서 약 2 mm 이하의 특성 치수가 선택되는데 이 규모에서의 질량 전달과 열 수송이 매우 효율적일 수 있기 때문이다.
본원에 개시된 여러 실시 형태와 반응실 설계가 다양한 설계중에서의 조합에 가장 적합하다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 도 10d 및 도 10e에 도시한 반응실은 하나의 층에서 다른 층으로 유체를 수송하는 도관 (예를 들면, 제2 촉매층에서 다시 제1 촉매층으로의 도관)과 일체화될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 개시된 각종 설계와 실시 형태의 조합을 포함한다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 내용은 특히 본 명세서의 결론부에서 지적하고 명백하게 청구하고 있다. 그러나, 동작의 구성과 방법 모두, 그 추가적 장점과 목적과 함께 동일 요소에 동일 참조번호를 기재한 첨부도면을 참고로 이하 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 내부에 다공성물질을 갖는 마이크로채널의 단면도이다.
도 2는 촉매물질을 갖는 다공성물질의 단면도이다.
도 3은 다공성물질로 형성된 마이크로채널의 단면도이다.
도 4a는 열전달 마이크로채널에 의해 에워싸이는 다공성물질의 마이크로채널의 단면도이다.
도 4b는 마이크로채널 사이에 열전달 마이크로채널이 마련된 다공성물질을 갖는 마이크로채널의 단면도이다.
도 5는 원통형 다공성물질의 사시도이다.
도 6은 다공성 표면 영역에 제2 다공성물질이 마련된 다공성물질의 단면도이다.
도 7a는 마이크로채널 수증기 개질 시스템의 블록선도이다.
도 7b는 마이크로채널 반응기의 단면도이다.
도 8에서 (a) 간섭하는 다공성 촉매 물질이 마련된 구획, (b) 다공성 촉매 층 사이에 놓이는 벌크 흐름 채널, (c) 이중 주름진(corrugated) 촉매, (d) 촉매 표면에 대한 기체 흐름을 갖는 주름진 촉매, (e) 촉매를 통한 기체 흐름을 갖는 주름진 촉매, (f) 촉매 물질의 와이어, (g) 화이버, (h) 다공성 촉매 물질의 코팅을 갖는 배플, (i) 다공성 촉매 물질로 구성된 배플, (j) 벌크 흐름 채널이 마련된 다공성 매트릭스, 및 (k) 촉매를 포함하는 구획으로의 흐름을 분배하는 흐름 분배 시트의 개략적인 단면도이다.
도 9에서 (a) 열교환유체의 단면 흐름을 갖는 촉매 채널의 사시도, (b) 반응실의 벽과 직접 접촉하지 않는 다공성 촉매 물질의 단면도, (c) 다공성 플러그가 마련된 상부의 반응실과 혼합실이 마련된 하부의 다수 흐름 채널, (d) 형상된 다공성 촉매 물질, (e) 다공성 촉매 물질로 충전된 U자형 채널, (f) 다공성 분배기, 및 (g) 다공성 촉매 물질의 층 사이를 흐르도록 지향된 혼합 반응 흐름을 포함하는 반응실 구성의 개략적인 도면이다.
도 10a는 다공성 촉매 물질의 다수 시트(sheet)를 포함하는 화학 반응기의 층을 도시하는 도면이다.
도 10b는 다공성 촉매 물질의 층을 도시하는 도면이다.
도 10c는 화학 반응기에서 재순환 흐름을 개략적으로 지시하는 도면이다.
도 10d는 선택적으로 투과가능한 층을 통해 생성물을 제거할 수 있는 반응실 구성의 개략적인 단면도이다.
도 10e는 선택적으로 투과가능한 층을 통해 생성물을 제거할 수 있는 반응실 구성의 개략적인 단면도이다.
도 11은 다양한 반응실 구성의 메탄 스트림 개질 테스트 결과를 도시한다.
도 12는 다양한 반응실 구성의 메탄 스트림 개질 테스트 결과를 도시한다.
일 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 기체상 반응물의 촉매 화학 반응의 화학 반응기를 포함한다. 반응기(도 1)는 적어도 하나의 반응물(102)과 적어도 하나의 생성물(104)의 흐름에 대한 적어도 하나의 반응기 마이크로채널(100)을 구비하고 있다. 본 발명은 적어도 하나의 생성물(104)을 형성하기 위해 적어도 하나의 반응물(102)이 반응하는 다공성구조(106)를 추가로 구비한 반응기를 개선하는 데에 있다. 다공성구조(106)는 통과하는 벌크 흐름(반응물(102), 생성물(104))을 저지하고 내부의 분자확산(반응부(102a), 생성부(104a))을 허용하는 공극(200) 또는 다공성(porosity)를 갖는다. 공극(200)은 촉매물질(108)이 체재할 수 있는 다공성 표면 영역(202)으로 형성되어 있다. 다공성물질(106)은 길이(L), 폭(도시생략) 및 두께(T)를 추가로 가지며, 일부 실시예에서 적어도 하나의 반응물(102)이 통과하는 벌크 흐름 경로의 적어도 일 벽의 적어도 일부를 형성한다.
마이크로채널은 벌크 흐름 경로를 형성하는 임의 단면적으로 이루어질 수도 있고 1 mm 미만의 특성 치수를 특징으로 한다.
동작시, 적어도 하나의 반응물(102)은 벌크 흐름 경로에서 적어도 하나의 반응기 마이크로채널(100)로 유입하여, 이를 지나 다공성물질(106)과 접촉한다. 적어도 하나의 반응부(102a)의 일부가 다공성 촉매(106)로 횡방향으로 분자적으로 확 산 반응하고, 거기에서 적어도 하나의 생성물(104a)이 벌크 흐름 경로로 횡방향으로 분자적으로 확산하여 반응기로부터 적어도 하나의 생성물(104)을 이송한다.
기체상 반응 촉매 반응을 포함하지만 수증기 개질, CO2 개질 부분 산화, 염소화반응, 플루오르화반응, 수소화반응, 탈수반응, 니트로화반응, 수성가스순환, 역수성가스순환, 자동열개질(autothermal reforming), 연소, 수소화분해 및 수소화탈황반응에 한정하는 것은 아니다. 수증기 개질에서, 기체 시간당 공간 속도는 10,000 을 넘는 것이 바람직하고, 50,000 을 넘는 것이 더 바람직하며, 10 msec 미만의 체류시간에 대응하는 약 100,000 hr-1 이어도 좋다.
바람직한 실시 형태에서, 벌크 흐름 경로의 폭은 약 1 mm 이하이다. 다공성 구조(106)의 두께(T)는 약 1 mm 이하이며, 길이(L)는 약 10 cm 이하의 마이크로채널의 길이에 대응하는 것이 바람직하다. 다공성 구조(106)의 폭은 다양하지만 벌크 흐름 경로의 원주의 적어도 약 20% 이고 약 50%가 바람직하다.
다공성물질(106)은 예컨대 메탈폼 또는 펠트 형태의 촉매 금속 또는 세라믹 등의 촉매 물질이 될 수 있다. 선택적으로, 다공성물질(106)은 그위에 놓이는 촉매물질(108)이 마련된 비촉매물질의 다공성 지지부로 이루어질 수 있다. 다공성은 벌집모양 또는 병렬 공극구조(parallel pore structure)로 기하학적으로 규칙적일 수도 있고, 또는 다공성은 기하학적으로 비틀리거나 임의 형상으로 이루어질 수도 있다. 다공성은 최소의 마이크로채널 치수보다 작은 평균 공극 크기를 갖는 약 30% 내지 약 98%의 범위가 될 수도 있다. 바람직하게는 공극 크기는 분자확산을 허용하는 약 0.1㎛ 에서 약 200㎛ 까지이다.
다공성물질(106)만으로 도 3과 같이 마이크로채널을 형성할 수도 있다. 이 실시 형태에서, 적어도 하나의 반응물(102) 또는 적어도 하나의 생성물(104)을 열전달유체와 혼합하는 것을 방지하기에 충분한 다공성물질(106) 두께(T)를 갖는다면 열전달유체를 사용하는 것이 가능하다. 선택적으로, 생성물은 다공성물질(106)을 통해 수집되는 제2 유체(도시생략)로 확산할 수도 있다.
다공성물질(106)은, 제거될 수 있는 삽입물로서 도 4a, 도 4b와 같이, 예컨대 금속, 비다공성물질의 벽(400)에 이웃하게 놓여질 수도 있다. 비다공성 벽(400)의 사용은 적어도 하나의 반응물(102) 및/또는 적어도 하나의 생성물(104)과 다른 열전달유체(402)의 사용을 허용한다. 열전달유체(402)는 적어도 하나의 반응물(102) 및/또는 적어도 하나의 생성물(104)에 대한 대류, 공동흐름, 십자류 또는 그 조합으로 흐를 수 있다.
본 발명은 도 5에 도시한 바와 같이 원통형 기하 형상을 포함할 수도 있다. 내경은 마이크로채널을 나타내고 약 1 mm 이하의 직경을 갖는다. 실린더는 밀폐된 임의의 단면 형상이 될 수도 있다. 다수 실린더가 사용될 수도 있다. 실린더는 다공성물질(106)의 일체 블록을 통과한 구멍을 형성할 수도 있다. 반응물/생성물과 열전달유체에 대한 다른 구멍이 사용될 수도 있다.
반응기에서의 반응물(들)의 체류시간은 촉매물질과 접촉하는 반응물(들)에 대한 확산시간 보다 큰 것이 바람직하다. 일부 바람직한 실시 형태에서, 반응기를 횡단하는 압력강하는 약 0.1 psi 에서 약 5 psi의 범위가 바람직하다.
다공성물질(106)이 다공성 표면 영역(202)에 제2 다공성물질(600)을 갖는 제1 다공성물질과 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 촉매물질(108)은 제2 공극(602)에 체류한다. 제2 공극(602)은 공극(200)보다 작고, 제2 공극(602)에서 누센 확산이 지배적으로 발생한다.
본 발명의 각종 실시예와 반응실에서 촉매를 구성하는 방법이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 이들 도면은 단일 반응실을 도시하지만, 바람직한 실시예에서 큰 용량이 요구될 때, 바람직하게는 화학 반응기에 집적된 적어도 5개 반응실, 보다 바람직하게는 적어도 100개 반응실의 다수 반응실이 집적장치에서 사용된다. 일부 저용량 장치에서, 1 내지 5 채널만이 요구될 수도 있다. 바람직하게는, 집적 화학 반응기는 병렬, 직렬, 또는 이들 양 방법으로 접속되는 다수 반응실을 포함한다. 반응실은 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같은 마이크로채널 열교환기와 같은 다른 부품 또는 장치와 함께 집적되는 것이 바람직하다. 집적장치에 본 발명의 반응실의 사용은 종래 장치에서 달성될 수 있는 것 보다 작은 용량에서 더 큰 생산성을 달성한다.
"벌크 흐름 영역(bulk flow region)" 이라 함은 반응실 내의 개방 영역을 의미한다. 연속하는 벌크 흐름 영역은 큰 압력 강하 없이 반응실을 통해 기체가 신속하게 흐르도록 한다. 바람직한 실시예에 있어서 벌크 흐름 영역에 층류(laminar flow)가 존재한다. 각 반응실 내의 벌크 흐름 영역은 바람직하게는 5 x 10-8 내지 1 x 10-2 m2, 보다 바람직하게는 5 x 10-7 내지 1 x 10-4 m2의 단면적을 갖는다. 벌크 흐름 영역은 1) 반응실의 내적, 또는 2) 반응실의 단면적 중 어느 하나가 바람직하게는 적어도 5%, 보다 바람직하게는 30-80% 로 구성하는 것이 바람직하다.
반응실은 높이, 폭 및 길이의 치수를 갖는다. 높이 및/또는 폭은 (반응실이 마이크로채널의 전통적인 형성 범위 내에 해당하는 경우) 약 2 mm 이하가 바람직하며, 1 mm 이하가 보다 바람직하다. 반응실의 길이는 통상적으로 길다. 바람직하게는, 반응실의 길이는 1cm 보다 크고, 보다 바람직하게는 1 내지 20 cm 의 범위이다. 통상적으로, 반응실의 측면은 반응실 벽으로 형성된다. 이들 벽은 세라믹 같은 경질물질, 강, 또는 모넬(monel)과 같은 같은 철계 합금으로 제조되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 반응실 벽은 내구성과 양호한 열전도성을 갖는 스테인레스강 또는 인코넬(inconel)로 구성되어 있다.
바람직한 실시예에서, 반응실(들)은 마이크로채널 열교환기와 열접촉한다. 반응실(들)과 열교환기(들)의 이런 조합은 고속의 열전달을 발생할 수 있다. 마이크로채널 열교환기의 사용을 포함하는 실시예와 상세한 설명은 본원에 참고로 인용되고, 2000년 1월 27일자로 출원된 미국 특허 출원번호 제09/492,246호에 개시되어 있다. 바람직한 실시 형태에서, 장치 및 방법은 입방 센티미터 당 적어도 0.6 W의 열유속을 갖는다.
마이크로채널 열교환기 대신, 또는 마이크로채널 열교환기에 부가적으로, 이웃한(또는 열적으로 접촉하는) 반응실 사이에 열전달이 발생할 수 있고, 하나의 반응실에서 발열반응에서의 열이 이웃한 반응실에서 흡열반응으로 전달되도록 반응실을 연결할 수 있는 것이 바람직하다.
일부 바람직한 실시 형태에 있어서, 반응실은 입구에서 출구까지 연속되는(contiguous) 벌크 흐름 경로가 있는 입구와 출구를 갖는다. 이들 바람직한 실시 형태에 있어서, 입구에서 출구까지의 압력 강하는 시스템 입구 압력의 20% 미만이 바람직하고, 10% 미만이 보다 바람직하다. 압력강하는 350 kPa 미만이 바람직하며, 70 kPa 미만이 보다 바람직하다. 낮은 압력강하는 펌프와 컴프레서와 같은 다른 시스템 장비의 크기와 비용을 감소하는데 바람직하다. 다른 실시 형태에 있어서, 반응실은 벌크 흐름을 방해하는 다공성 플러그와 같은 섹션을 포함할 수도 있다.
평형 전환(Equilibrium conversion)은 고전적인 방법으로 정의되고, 최대 도달가능한 전환율은 반응기 온도, 압력 및 공급성분의 함수이다. 탄화수소 수증기 개질 반응의 경우에 대해, 평형 전환율은 온도가 증가할 수록 증가하고 압력이 증가할 수록 감소한다.
본원에 개시된 "다공성 촉매물질" 이라 함은 총 다공성물질의 부피의 5 내지 98%, 보다 바람직하게는 30 내지 95%의 공극 부피를 갖는 다공성물질을 의미한다. 물질의 공극 부피의 적어도 20%(보다 바람직하게는 적어도 50%)는 0.1 내지 300, 보다 바람직하게는 0.3 내지 200 미크론, 더 바람직하게는 1 내지 100 미크론의 크기(직경) 범위의 공극으로 구성된다. 공극 부피와 공극 크기 분배는 수은 포리시미트리(Mercury porisimetry)(원통형 기하의 공극이라 가정함)와 질소흡착에 의해 측정된다. 공지된 바와 같이, 수은 포리시미트리와 질소흡착은 상보적 방법으로서 수은 포리시미트리는 큰 공극크기(30 nm 초과) 측정에 보다 정확하고 질소흡착은 작은 공극 크기(50 nm 미만) 측정에 보다 정확하다. 약 0.1 내지 300 미크론 범위의 공극 크기는 대부분 기체상 촉매 조건 하에서 물질을 통해 분자를 분자적으로 확산하도록 한다. 다공성물질 자체는 촉매가 될 수 있지만, 보다 바람직하게는 다공성물질은 금속, 세라믹 또는 그 위에 적층되는 촉매물질(들)의 층(들)을 갖는 복합지지체를 포함할 수 있다. 지지체는 메탈폼 또는 세라믹폼이 바람직하다.
촉매의 바람직한 주요 활성성분은 IUPAC IIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IVB 족, 란탄계열 및 악티니드계열의 원소를 포함한다. 필요한 경우, 촉매 층도 또한 다공성으로 형성하는 것이 바람직하다. 촉매 층(들)의 평균 공극 크기(부피 평균)는 지지체의 평균 공극 크기보다 작은 것이 바람직하다. 지지체 위에 놓이는 촉매 층(들)의 평균 공극 크기는 BET 방법에서 N2 흡착으로 측정시 10-9 m 내지 10-7 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 총 공극 부피의 적어도 50 부피%가 10-9 m 내지 107 m 의 직경 크기 범위의 공극으로 구성된다. 촉매 층(들)에서 이들 작은 공극 내의 확산은 통상적으로 사실상의 누센이며, 따라서 분자가 다른 기체상 분자보다 더 빈번하게 공극의 벽에 충돌한다.
바람직한 실시 형태에 있어서, 촉매는 반응실에 편리하게 삽입 및 제거될 수 있는 삽입물 형태이다. 반응실(동일 형태 또는 다른 형태 중 어느 하나)은 다수 형태의 촉매에 의해 직렬로 조합될 수 있다. 예컨대, 제1 형태의 촉매를 포함하는 제1 반응실을 통해 반응물이 통과될 수 있고, 이 반응실로부터의 생성물은 생성물(보다 정확한 명칭으로는, 매개체)을 보다 바람직한 생성물로 전환시키는 제2 형태 의 촉매를 포함하는 후속 반응실(또는 동일 반응실에서 후속 단계)를 통과한다. 소망한 경우, 추가 반응물(들)이 후속 반응실에서 부가될 수 있다.
본 발명의 촉매반응은, 아세틸화반응, 첨가반응, 알킬화반응, 탈알킬화반응, 과산화알킬화반응, 환원성아킬화반응, 아민화, 방향족화, 아릴화, 자동열개질, 카르보닐화, 탈카르보닐화, 환원성 카르보닐화, 카르복실화, 환원성 카르복실화, 환원성 커플링 반응, 축합반응, 분해증류, 수소화분해, 환원, 시클로 소중합 반응 (cyclooligomerization), 활로겐이탈반응, 이합체화반응, 에폭시화반응, 에스테르화반응, 치환반응, 피셔-트롭슈 합성(Fischer-Tropsch), 활로겐화반응, 활로겐화수소, 첨가반응, 동족체화(homologation), 수화(hydration), 탈수반응, 수소화반응, 탈수소반응, 히드록카르복시화, 히드록포르밀화반응, 가수소분해, 습식정련 (hydrometallation), 수소화규소첨가반응(hydrosilation), 가수분해, 습식처리 (hydrotreating)(HDS/HDN), 이성질화반응, 메틸화반응, 탈메틸화반응, 메탄화반응, 니트로화반응, 산화반응, 부분산화반응, 중합반응, 환원반응, 개질반응, 역수성가스순환, 술폰화반응, 텔로머화반응(telomerization), 에스테르교환반응, 삼중합체화반응(trimerization), 및 수성가스순환반응을 포함한다.
본 발명의 다른 장점은 짧은 접촉시간으로 양호한 산출을 얻을 수 있다는 데에 있다. 바람직한 방법에 있어서, 접촉시간은 100 msec 미만, 보다 바람직하게는 50 msec 미만, 보다 더 바람직하게는 1 내지 25 msec 사이이다. 채널 길이를 동시에 감소하면서 벌크흐름과 다공성 촉매 사이의 확산거리를 감소함으로써 접촉시간이 줄어들 수도 있다. 이들 접촉시간에서, 탄화수소 수증기 개질의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 반응실의 입구로 유입하는 탄화수소의 평형 전환의 적어도 70%, 보다 바람직하게는 적어도 90% 가 수소, 일산화탄소 및/또는 이산화탄소로 전환된다. 다른 프로세스에서 유사한 향상이 얻어질 수 있다.
도 8a는 약 2 mm 이하의 적어도 하나의 치수를 갖는 제1 구획(804), 다공성 촉매물질(806) 및 제2 구획(808)을 갖는 반응실(802)을 도시한다. 이 반응실은 여러 방법으로 사용될 수 있다. 예컨대, 일 반응물(예컨대, 메탄)(810)을 제1 구획으로 통과시키고, 제2 반응물(예컨대, 물)(812)을 제2 구획으로 통과시키며, 이 방법에서, 다공성 촉매물질(806) 내에서 제어된 반응을 초래함으로써 촉매화 반응이 조심스럽게 제어될 수 있다. 압력차에 의해 또는 일 구획(예컨대, 플러그(814))을 플러깅(plugging)으로써 흐름을 제어할 수 있으며, 다공성물질에 형성된 생성물(들)은 출구(816)를 통하도록 지향될 수 있다.
도 8k에는 흐름분배층(862)(통상적으로 무작위의, 규칙적인, 또는 이격된 공극, 슬롯, 구멍 등)이 반응실(866)의 길이를 따라 공급물(864)을 분배할 수 있는 장치(860)가 도시되어 있다. 반응실(866)은 다공성 촉매물질(868)을 포함하는 것이 바람직하다(비록 반응실의 길이를 따라 단일층으로 도시하지만 - 그래서 압력 강하가 낮게 함, 다공성촉매물질이 본원에 개시된 임의의 구성을 가질 수 있다는 것이 인식되어야한다). 생성물(870)은 반응실을 빠져나온다. 공급물을 분배하는 것은 반응물들 중 하나의 국부적 부분 압력을 저하시키는 기능을 한다. 이는 국부적 농도가 하나의 반응 경로에 다른 반응경로에서보다 더 유리한 경향이 있는, 본래 병렬 또는 직렬-병렬인 반응들에 대해 장점을 갖는다. 예컨대, 부분 산화 반응은 이 분배된 공급물 접근법에 의해 개선될 수 있는데, 이는 바람직하지 않은 딥 산화(deep oxidation) 생성물에 대비 바람직한 생성물에 대한 선택성을 증가시킨다.
도 8b는, 일부 흐름이 다공성 촉매물질에서 큰 공극을 통해 대류적으로 이동할 수 있지만, 벌크 흐름 경로(820)가 다공성 촉매물질(822) 사이에 놓여지는 본 발명의 반응실의 실시예를 도시한다. 다공성 삽입물의 공극 직경이 증가하고 개방 영역의 유압(hydraulic) 직경보다 작은 크기로 접근할 때 큰 공극을 통한 흐름이 증가한다. 이 반응실은 링 또는 부분 링의 촉매에 의한 튜브로 구성될 수 있지만, 평탄한 장치가 보다 바람직하다. 평탄한 장치는 추가적 반응실, 열교환기 등과 같은 다른 요소와 함께 반응실의 경제적인 적층을 허용한다. 벌크 흐름 채널의 연속된, 곧은-관통 구성은 압력강하가 낮은 기체상 촉매 수행 기회를 제공한다.
도 8c 및 도 8d는 반응실 구성을 도시하는 것으로서, 주름진 촉매 삽입물(826)이 기체상 촉매에 큰 표면 영역을 제공하는 반면 연속된 흐름 경로(828)(832)는 촉매가 낮은 압력강하로 실행되도록 한다. 삽입물(826)은 다공성 촉매물질의 표면 코팅을 갖거나, 바람직하게는 다공성 촉매물질로 구성될 수 있다. 유사한 구성이 도 9d에 도시되어 있다.
도 8e는 기체 흐름이 부분적으로 촉매를 통해, 그리고 촉매 주위를 통과하도록 주름진 다공성 촉매물질(826)이 반응실에 놓이는 실시 형태를 도시한다. 이 구성은 다공성 촉매와 접촉하고, 이 구성은 상당히 큰 압력강하의 단점을 갖지만 활성 촉매 표면과 반응물을 보다 친밀하게 접촉하는 장점을 갖는다.
도 8f 및 도 8g는 촉매 화이버(836)(838)를 사용한다. 이들 화이버는, 예컨대, 다공성 세라믹, 금속 또는 복합 화이버로 이루어질 수 있다. 병렬의 화이버(836)는 압력 강하가 작기 때문에 바람직하다. 화이버(838)는 반응실을 통한 난류를 유발한다. 이들 경우 중 어느 하나에서, 촉매 화이버는 낮은 압력 강하를 유발하고, 양호한 열전도성을 가질 수 있고, 촉매에 대해 보다 균일하고 제어된 표면을 제공하기 때문에 분말보다 바람직하다. 촉매 벽(840)(842)은 세라믹(고온 작업), 금속(양호한 열전도성), 복합재, 또는 다공성 촉매(추가의 반응 및/또는 기체성분의 추가 또는 제거)로 이루어질 수 있다.
도 8h 및 도 8i는 배플(846)(848)이 있는 반응실을 도시한다. 배플(846)은 다공성 촉매 물질로 이루어진 판재 또는 봉 또는 다공성 촉매물질로 코팅된 판재 또는 봉을 포함한다. 배플(848)은 다공성 촉매 물질로 이루어진 판재 또는 봉을 포함한다. 흐름은 평행(parallel)(849) 또는 비평행(nonparallel)(847)할 수 있거나 또는 상이한 반응물이 상이한 방향(예컨대, 직교하는(orthogonal) 반응물 흐름)으로 흐를 수 있다. 이들 경우중 어느 하나에 있어서, 반응실을 통한 연속된 벌크 흐름이 존재한다. 이들 배플은 난류상태(turbulence)를 발생시키고 기체성 반응물과 촉매의 접촉을 향상시킬 수 있다. 열전도성금속으로 구성되는 것이 바람직한 배플은, 반응기 벽에(또는 벽으로부터) 양호한 열전달을 제공한다. 반응실 벽(854)은 벽(842)에 대해 전술한 동일 재료로 이루어질 수도 있다.
도 8j는 내부에 연속된 벌크 흐름 채널(852)이 존재하는 다공성 촉매 매트릭스 물질(850)을 도시한다. 매트릭스(850)는 반응실 벽이 될 수 있거나 또는 전체 물품(855)이 개구에 들어가는 삽입물이 될 수 있다. 바람직하게는 상기 매트릭스물질은 1 내지 10,000, 보다 바람직하게는 5 내지 1000 벌크 흐름 채널(852)을 포함한다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 벌크 흐름 채널(852)은 본질적으로 곧다(straight). 다른 실시 형태에 있어서, 이들 채널은 비틀린 형상이다. 또 다른 실시 형태에 있어서, 채널(852)은 촉매물질로 채워지고 반응물과 생성물의 벌크 흐름은 주로 매트릭스를 통과한다.
도 9a는 반응관/반응실(904)을 갖는 반응기(902)를 도시하며, 상기 반응관과 반응실 각각은 본원에 개시된 임의 구성의 다공성 촉매물질(도시생략)을 포함할 수도 있다. 이들 튜브의 외측에는 벌크 흐름 부피(906)가 존재한다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 열교환유체가 벌크 흐름 부피를 통과하고, 열교환유체의 흐름은 기체성 생성물과 반응물의 흐름에 대해 십자류, 공동흐름 또는 대류(counterflow)가 될 수 있다.
도 9b는 다공성 촉매물질(908)이 반응실 벽(910)에 직접 접촉하지 않고 반응실 내에 놓이는 구성을 도시한다. 다른 실시 형태(도시생략)에 있어서, 촉매물질(908)은 외측에 큰 공극 구조(이 구조에서 분자 확산이 발생함)와 작은 공극 구조(이것을 통해 누센 확산이 발생함)의 코어를 포함한다. 촉매가 작은 공극 구조, 또는 큰 공극 구조, 또는 이들 양자에 코팅될 수 있다.
도 9c의 상부는 벌크 흐름 경로(912)와 다공성 촉매물질(914)(916)을 갖는 반응실(911)을 도시한다. 다공성 플러그(916)는 플러그의 형태이며 이는 벌크 흐름 경로(914)를 통과한 후 반응하지 않고 남아 있는 임의의 기체성 반응물에 촉매 접촉을 제공하는 기능을 한다. 본 실시예와 다른 도면에서 흐름 안정하상(flow regime)은, 2000 미만의 레이놀드수의 전통적인 정의에 기초한 통상적인 층류(laminar)이다. 흐름 안정하상은 또한 마이크로채널에서 천이류 또는 난류가 될 수 있지만, 이는 덜 흔하다. 층류를 위해, 채널의 중앙선을 따라 이동하는 반응물이 존재할 것이다. 모든 분자들이 상기 다공성 촉매로 확산되고 반응될 수 있는 기회를 갖을 수 있는 것은 아니다. 벽으로 확산되어 반응하지 않는 이들 분자에 대해, 이를 '슬립(slip)' 이라 부른다. 전체 반응기 전환은 달성가능한 평형보다 낮은 퍼센트가 될 수도 있다. 반응기 길이의 부분에 대한 전체 단면적을 통한 다공성 촉매물질의 사용은 슬립을 감소시키고 평형에 근접한 접근으로 전체 전환을 가능하게 한다.
도 9c의 하부는 다수의 반응실(922)과 하나의 혼합실(924)로 구성된 반응기를 도시한다. 상기 혼합실은 적어도 두 개의 반응실(922)로부터의 기체를 결합시킨다. 상기 혼합실은 가능한 층류 스트림라인(streamline)을 혼합함으로써 다수의 반응실 사이의 농도를 평형화 시키는 것을 보조하고 반응물의 중심선 슬립을 감소함으로써 적어도 두 개의 반응실이 일 반응실로 결합되는 경우보다 큰 전체 전환율을 보장하도록 한다.
도 9e는 적어도 두 개의 반응실(930)(932)로부터의 벌크 흐름이 다공성물질(934)로 흐르는 반응기를 도시한다. 운영의 변형 모드에 있어서, 흐름은 반응실(930)를 통해, 다공성 물질(934)을 통해 유입되고, 반응실(932)를 통해 유출된다. 본 실시 형태는 또한 반응물의 가능한 슬립을 감소하는 기능을 수행하고 평형에서 예측된 것에 가까운 전체 반응기 전환을 유발한다.
도 9f는 분지된(forked) 구성을 도시하는데, 여기서 기체성 반응물이 약 2 mm 이하의 치수를 갖는 제1 구획(936)으로 유입하고, 다공성 촉매물질(938)을 지나 대류적으로 이동한 다음 다공성 촉매물질(940)을 통해 대류적으로 이동한다. 구획(936)으로 이동하는 동안, 공급물은 다공성촉매로 확산하여 반응할 수도 있다. 상기 다공성 촉매물질(940)을 통해 유출하는 기체는 제2 구획(942)으로 흐른다. 구획(936)(942)은 오프세트(offset)되거나 되지 않을 수 있다. 다공성 촉매물질(938)에 의해 형성된 다공성 분할기(938)를 오프세트함으로써, 기체는 인접한 제1 구획으로 흐르고, 추가로 혼합되어 반응물의 슬립을 감소시킨다.
도 9g는 제1 흐름 경로에서 다공성 촉매의 일 측면을 따라 공급이 흐르는 흐름 구성을 도시하고, 적어도 하나의 절곡부를 형성한 다음, 적어도 하나의 제2 흐름 경로를 형성하기 위해 대향 흐름 방향으로 다공성 촉매의 타 측면을 따라 복귀 이동한다. 변형 구성에 있어서, 제2 흐름 경로에 제2 촉매가 사용될 수도 있다. 다른 구성에 있어서, 벽은 제1 및 제2 흐름 경로에 사용된 다공성 촉매를 분리할 수도 있다.
도 10a 내지 도 10c는, 열교환기(504)가 다공성 촉매 시트 또는 층(502)(506)의 두 층 사이에 놓이는, 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 층은 시트 또는 집적장치로 조립될 수도 있다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 제1 다공성 촉매 시트(502)를 빠져나온 기체가 열교환기(504)내의 마이크로채널의 적어도 하나의 배열을 통과한 다음 제2 다공성 촉매 시트(506)를 향해 이동한다. 반응실(502)에서의 발열반응으로부터 열을 제거하거나 또는 반응실(502)에서의 흡열반응의 경우에 열을 부가하기 위해서, 열교환기(504)내의 별도의 열교환 유체가 바람직하다. 열교환유체의 흐름은 역류, 공동흐름, 십자류 중 어느 하나가 될 수 있다. 변형 실시예에서 열교환기(502)는 연속적(recuperative) 열교환모드에서 동작할 수 있으므로, 열교환기 (504)의 마이크로채널의 적어도 하나의 제1 배열에서 차가운 반응물이 예열된 다음 반응실(502)로 공급되어 발열반응을 수행하고, 열교환기(504)에서 마이크로채널의 제1 배열과 열 교환하는 열교환기(504)의 마이크로채널의 적어도 하나의 제2 배열에서 냉각될 수 있다. 열교환실(504)을 통해 이동하는 제1 반응실(502)로부터의 생성 혼합물이 상이한 또는 비슷한 반응을 수행하기 위해 적어도 하나의 제2 반응실(506)로 이동할 수도 있다.
이 번갈아하는 구조(alternating structure)는 임의의 수의 소망하는 층으로 반복될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 도 10a에 도시한 층이 적층될 수 있고 적층 둘레에 벽이 놓여져 반응기를 형성할 수 있다. 반응기는 반응물의 입력과 생성물의 출력과 열교환유체의 흐름을 제어하기 위한 적절한 개구, 밸브 등을 갖는다. 다공성 촉매층은 동일하거나 상이할 수 있다. 예컨대, 제2 촉매층(506)에서 하나 이상의 다공성 촉매(제1 층 상의 촉매와 상이함)의 사용으로 제1 촉매층(502)으로부터의 생성물을 제2 반응(제1 반응과 상이함) 하도록 하여 상이한 생성물을 형성시킬 수 있다. 다공성 촉매 층은 기체의 흐름이 층을 통과하도록 충분한 투과성을 가져야 하고, 이들 층은 본원에 개시된 다공성 촉매물질로 구성되는 것이 바람직하다. 다공성 촉매 층(502)과 바람직하게는 다른 다공성 촉매층(예컨대, 506)은, 층을 통해 연속된(contiguous) 채널을 가져야만 한다. 이들 채널의 가장 작은 폭 또는 높이 치수는 0.1 마이크로미터 내지 약 2 mm, 바람직하게는 0.3 마이크로미터 내지 2mm이다. 층을 통해 이동하는 기체가 다공성 촉매 물질과 접촉하도록 다공성 촉매물질은 층에 놓여진다. 이들 채널은 또한 본원에 개시한 임의의 반응실이 될 수 있다. 채널의 길이는 2 mm 미만을 포함하여 임의의 길이가 될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 하나의 다공성 촉매층(502)과 열교환기 (504)를 포함하는 화학반응기를 포함하도록 정의될 수 있다. 선택적으로, 열교환기를 통한 유체 흐름은 본원에 개시된 임의의 반응실과 같은 반응실을 향해 지향될 수 있다.
상기 열교환기는 마이크로채널 열교환기가 바람직하다. 도 10c에 도시한 바와 같이, 임의 층으로부터의 흐름의 일부가 적층의 전부 또는 일부를 통해 다시 흐르도록 상류로 재순환하도록 적층을 구성할 수 있다. 열역학적으로 달성 가능하다면 변환을 유발하는 재순환이 바람직할 수 있다. 변형 구성으로서, 초기 반응섹션으로 돌아가는 재순환 경로에 있는동안, 미반응 공급물로부터 생성물이 분리될 수 있다.
도 10d에서, 막 또는 흡착제와 같은 활성 분리제(522)의 사용을 통해 형성될 때 생성물이 반응실(520)에서 분리될 수 있다. 생성물의 연속적인 제거는, 그렇지 않으면 평형-제한되는 반응을 완성시키도록 추진시킬 수 있다. 상기 다공성 촉매(524)로부터 확산하는 생성물은 개방 영역(526)을 지나서 대향하는 벽의 활성 분리제로 추가로 확산할 수도 있다. 예컨대, 분리제(522)는 수소 기체를 선택적으로 제거하는 팔라듐 막이 될 수 있다. 도 10e에 도시한 변형 실시예에 있어서, 생성물이 다공성 촉매를 통해 또한 활성 분리제인 인접 벽으로 확산할 수도 있다.
실시예 1
메탄 수증기 개질에 대한 1 마이크로채널을 이용하여 본 발명을 설명하기 위한 실험을 수행하였다. 필요한 발열반응 열을 제공하기 위해 마이크로채널이 튜브 노(tube furnace) 내에 놓여져 있다. 마이크로채널은 길이가 1.52 cm이고 높이가 0.66 cm이다. 마이크로채널의 폭(또는 개구)은 0.0762 cm 또는 762 미크론이다. 0.0762 cm 폭은 대향 벽을 덮는 두 개의 다공성 구조를 포함하고 이 각각의 구조는 254 미크론의 두 개의 다공성 구조 사이의 벌크 흐름 경로를 방치하는 254 미크론의 폭을 갖는다. 다공성 구조는 미국 플로리다, 데랜드, 테크넥틱스(Technetics)로부터 얻을 수 있는 FeCrAl 합금의 금속 펠트 위에 13.8%-Rh/6%-MgO/Al2O3 의 촉매를 포함한다. 13.8wt%Rh6wt%MgO/Al2O3 소결 촉매는 1) 5시간 동안 500℃로 큰 표면영역 감마 알루미나를 소결하고, 2) 질산마그네슘의 수용액으로 초기 습윤 방법(incipient wetness method)을 이용하여 MgO로 감마 알루미나를 침적하고, 변형된 감마 알루미나 지지체에 MgO 를 얻고, 4) 2시간 동안 900℃ 로 제2 소결이 선행한 다음, 3) 4시간 동안 110℃로 변형 지지체를 건조하여, 5) 질산로듐용액으로부터 초기 습윤법을 이용하여 Rh2O3 으로 변형된 지지체를 침적하고, 6) 4시간 동안 110℃ 로 최종 건조하며, 7) 지지된 촉매의 분말을 얻기 위해 3시간 동안 500℃로 최종 소결한다. 분말 촉매는 밤새도록 볼 분쇄(ball-milled)되고 소망하는 하중이 달성될 때까지 FeCrAl 펠트에 슬러리 침적 코팅(slurry dip-coated)된다. 코팅된 촉매가 90℃ 에서 밤새도록 건조되고 4시간 동안 350℃에서 소결된다. 촉매 평가 이전에, 4시간동안 110℃ 에서 10%H2/N2 (100cc(STP)/min)으로 촉매가 환원된다.
메탄 입구 유량은 표준조건에서 50.3-cc/min 이고, 물(액체) 유량은 수증기와 탄소의 비가 대략 3:1에 대응하는 7.3 mL/hr이다. 메탄과 물은 마이크로채널로 유입하기 이전에 반응온도 부근에서 예열된다. 다공성구조 사이의 벌크 흐름 경로에 약 500 미만의 레이놀드수를 갖는 기체흐름이 존재하며, 분자확산은 촉매를 포함하는 각 공극면으로 그리고 공극면으로부터 반응물과 생성물을 발생한다.
매우 짧은 체류시간(10ms미만)에 대한 온도함수의 실행 결과가 표 1-1에 도시되어 있다.
Figure 112006097701341-pct00038
삭제
실시예 2
연료 연소기(700), 물 증발기(702), 반응물 예열기(704), 및 수증기 개질 유니트(706)를 포함하는 도 7a에 도시한 장치를 이용하여 실험을 행하였다. 수증기 개질 유니트(706)는 12개의 병렬 채널(도 7b)(1, 2, 3...12)로 구성되고 이들 각각의 길이는 2.79cm이고, 높이는 2.54cm이며, 폭은 750 미크론이다. 다공성 구조(106)는 플로리다, 올랜드, 테크넥틱스로부터 얻을 수 있는 35% 내지 90% 범위의 다공성을 갖는 약 250 미크론의 폭을 갖는 펠트 FeCrAl 로 이루어져 있다. 대략 채널 길이와 높이에 대응하는 길이와 높이를 갖는 금속 펠트 조각은 실시예 1에 개시한 바와 같이 동일한 슬러리 침적법과 분말 촉매를 이용하여 촉매와 함께 코팅된다. 이들 펠트는 각 채널에서 약 250 미크론의 벌크 흐름 경로를 남겨두는 채널의 대향측면의 벽에 부착되어 있다. 반응기 마이크로채널은 열교환 채널(a, b, c...m)이 산재되어 있어 흡열 반응열을 제공한다. 인접한(끼워진) 병렬 열교환 마이크로채널(총 13개)은 촉매물질 주위에 반응물이 바이패스(bypass)하는 것을 방지하기 위해서 반응 마이크로채널에 대해서 밀봉되어 있다. 열교환 마이크로채널은 반응 마이크로채널로서 대략 동일한 높이와 길이를 갖는다. 각 열교환 채널의 폭은 508 미크론이다. 수증기 개질 유니트 내의 열교환유체(402)는 수소의 연소 생성물(20 SLPM 공급)과 과도한 공기(168 SLPM 공급)이다. 연소 생성물(402)은 반응물 흐름의 방향에 십자류(cross-flow) 구성으로 공급되었다.
반응물은 각각 1 SLPM과 2.81 SLPM(또는 2.26 ml/min liquid)의 유속의 메탄과 수증기 형태의 물이었다. 기체 매시간 공간 속도는 9.2 msec의 체류시간에 대응하는 대략 100,000 hr-1 이었다. 반응기 입구 온도는 메탄과 수증기의 혼합물을 수용하는 736℃ 이었다. 마이크로채널 수증기-개질 유니트를 통한 압력강하는 0.6 psi 미만이었다.
메탄의 생성물 전환은 79%였고 CO에 대한 선택도는 65%였다.
실시예 3
반응실 내의 각종 촉매 구성의 유효성을 평가하기 위한 수증기 개질 실험이 행해졌다. 실시예 1에 개시한 바와 같은 동일 과정을 이용하여 각종 구조를 갖는 공학적 촉매가 합성 및 활성된다. 펠트와 러플 기재는 FeCrAl 합금 화이버로 형성 된 다공성물질로서, 플로리다, 데랜드, 테크넥틱스로부터 구매할 수 있다.
스너그 핏팅(snug fit)으로 단일 채널 장치 내에 촉매가 삽입된다. 단일 채널장치에서 모든 촉매가 평가된다. 단일채널장치는 튜브 노에 놓여진다. 노의 상부 영역에서 반응물을 예비 가열하며, 하부 흐름 모드(down-flow mode)의 단일채널장치로 도입된다. 메탄의 수증기 개질은 고정 접촉 시간, 2/1의 수증기 대 탄소 비, 및 850℃로 유지된 온도(반응실 온도는 열전대에 의해 연속적으로 모니터된다)에서 실행된다. 유출하는 유량은 버블 유량계(bubble flowmeter)로 측정되며, 생성물은 기체 크로마토그래피(gas chromatography)를 이용하여 분석된다. 테스트된 촉매 구성과 흐름의 방향은 도 11의 하부에 도시되어 있다. 압력은 0에서 350 psig의 범위이다. 실시예 3에 기술한 모든 실험에 대해, 공학적 촉매를 통과하여 측정된 압력강하는 0.2 psig 미만이다. 접촉 시간은 표준 온도와 촉매 반응실 부피로 나누어지는 압력에서 총 공급 기체 부피로 정의한다.
촉매에 지지된 단일 펠트(0.01" x 0.35" x 2"/0.025cm x 0.88cm x 5.0cm)는 단일 채널장치(0.03" x 0.35" x 2"/0.075cm x 0.88cm x 5.0cm)에서 시험된다. 채널 벽과 촉매가 직접 접촉하지 않는 우회 흐름 개념을 모의 실험하기 위해 단일 채널장치의 중간에 펠트가 놓여진다. 이 경우, 촉매 반응실 부피는 단일 채널 부피(0.03" x 0.35" x 2"/0.075cm x 0.88cm x 5.0cm)로 한정된다.
이중 펠트 구성에서 각각의 펠트 촉매는 단일 펠트(0.01" x 0.35" x 2")와 동일한 치수를 가지며, 단일 채널장치(0.03" x 0.35" x 2"/0.075cm x 0.88cm x 5.0cm)에서 평가된다. 0.01" 의 갭을 갖는 두 개의 펠트가 단일 채널장치에 놓여 지므로 양 펠트는 벽과 밀접한 접촉한다. 다시, 촉매 반응실 부피가 단일 반응실 부피로 정의된다.
0.01"(0.025cm) 두께의 펠트는 주름진 형태로 크림프되고(crimp), 러플이라 칭한다. 이 작업에 검토된 러플은 0.117"(0.295 cm)의 고정 파장과 0.5"(0.127cm)의 고정 진폭을 갖는다. 러플의 치수는 폭이 0.35"(0.88cm)이고 길이가 2"(8.0cm)이다. 반응물은 파장에 수직한 방향으로 흐른다. 단일 러플은 단일채널장치(0.05" x 0.35" x 2")에 꼭맞게 들어가는데(snug-fitting), 이것은 촉매 반응실 부피를 한정한다. 이중 러플 구성은 사이에 끼우는 것(shim)(0.01" x 0.35" x 2'/0.025 cm x 0.88cm x 5.0cm)을 놓고 두 개의 동일한 러플을 적층함으로써 구성된다. 이중 러플이 촉매 반응실 부피를 한정하는 폭 넓은 단일 채널장치(0.11" x 0.35" x 2"/0.28cm x 0.88cm x 5.0cm)에서 평가된다.
실험 데이터가 도 11 및 도 12에 도시되어 있다. 이 데이터에 대한 실험오차는 약 5%이다. 비교를 위해, 평형 전환율이 또한 검토된 조건하에서 이들 도면에 포함되어 있다. 조사된 압력 범위에 대해, 모두 네 개의 촉매 구조는 짧은 접촉 시간(<50ms)에서 높은 전환율(>50%)로 나타난 바와 같이 상당히 높은 활성을 나타낸다.
최상의 결과는 이중 펠트 구성을 이용하여 얻어졌다. 이 구성에서, 28 msec와 14 msec 의 접촉시간 사이에 중요한 차이가 없고, 7 msec 의 접촉시간에서는 덜 효과적인 유효 전환율을 보였다. 전체적으로, 설계제조된 촉매 구조의 활성도는 다음 순서로 감소한다: 이중 펠트>단일 러플>이중 러플>단일 펠트. 부피 당 촉매 장소 밀도는 또한 활성도와 동일한 추세를 따르는 것이 주목할 만이다. 촉매 장소 밀도 이외에, 열전달특성은 여러 구조들에서 동일하지 않으며, 열전달효율은 활성도에서와 동일 순서로 감소하는 것으로 판단된다.
고정 온도, 압력, 및 공급 화학양론(stoichiometry) 하에서, 여러 설계제조된 구조의 활성도를 등급 짓기 위해 메탄 전환율과 접촉시간을 포함하는 정보가 사용될 수 있다. 일반적으로, 접촉시간이 길수록 전환율은 높아진다. 도 12는 단일펠트와 이중펠트사이의 활성도를 비교한다. 접촉시간을 제외한 동일조건하에서, 접촉시간이 세 배 길지만(45.9msec 대 13.75msec) 단일펠트의 활성도는 이중펠트의 경우보다 여전히 낮다. 도 11은 단일러플과 이중러플 사이의 활성도를 비교한다. 동일조건(15msec 접촉) 하에서, 단일 러플은 이중 러플보다 10% 높은 전환율을 나타낸다. 도 11은 동일한 접촉시간(7.5ms)에서, 이중펠트가 단일 러플보다 적어도 10% 성능이 좋다는 것을 보여준다. 이중펠트가 단일펠트보다 3 배 높은 활성도를 나타내고, 이중펠트가 단일 러플보다 단지 10% 보다 약간 높은 활성도를 나타내고, 단일러플은 이중러플보다 10% 보다 약간 높은 활성도를 나타내기 때문에, 이중러플은 단일펠트보다 더 활성적이라는 것을 용이하게 결론지을 수 있다.
결론
본 발명의 바람직한 실시예를 도시 및 기술하였지만, 당분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 광의의 실시예에서 본 발명에서 이탈하지 않고 각종 변화와 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 사상과 범위 내에 해당할 때 이런 모든 변화와 변형을 모두 포함한다.

Claims (53)

  1. (a) 적어도 하나의 기체상 반응물의 원천(source)과 유체 연결된(in fluid communication) 벌크 흐름 경로를 형성하는 적어도 하나의 벽을 갖는 적어도 하나의 반응기 마이크로채널; 및
    (b) 촉매물질을 구비하는 촉매 구조로서,
    상기 촉매구조는,
    (c) 내부에 분자확산을 허용하는 제1 다공성(porosity)을 갖는 다공성물질을 포함하며, 상기 다공성물질은 길이, 폭과 두께, 및 다공성 표면 영역을 추가로 가지며, 상기 다공성물질은 상기 적어도 하나의 반응기 마이크로채널의 상기 적어도 하나의 벽의 일부 또는 전부를 형성하는 화학 반응기에 있어서,
    상기 다공성 물질은,
    동작 동안, 상기 적어도 하나의 반응물이 상기 벌크 흐름 경로의 상기 적어도 하나의 반응기 마이크로채널로 유입하고, 이를 통과하여 흐르고 상기 다공성물질과 접촉하고, 상기 적어도 하나의 반응물의 일부 또는 전부가 상기 다공성물질로 분자적으로 확산하고 상기 벌크 흐름 경로로 분자적으로 확산하는 상기 적어도 하나의 생성물을 형성하기 위해 그안에서 반응하여, 상기 반응기로부터의 상기 적어도 하나의 생성물을 이송하는 것과 같은, 다공성 내부 구조를 갖는 것인,
    화학 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벌크 흐름 경로의 원주의 적어도 20%는 상기 다공성물 질에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 벌크 흐름 경로의 상기 원주의 적어도 50%는 상기 다공성물질에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응기 마이크로채널에 인접한 적어도 하나의 열전달 마이크로채널을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공성물질은 상기 촉매물질인 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 촉매 구조는 상기 다공성 표면 영역에 상기 촉매물질을 갖는 비촉매물질로서 상기 다공성물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 촉매 구조는 제1 다공성을 갖는 상기 다공성물질의 상기 다공성 표면 영역에 제2 다공성을 갖는 제2 다공성물질을 포함하고, 상기 제2 다공성은 누센확산(Knudsen diffusion)을 허용하고, 상기 촉매물질은 상기 제2 다공성 물질에 배치되는 것인 화학 반응기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 촉매 구조는 삽입물(insert)인 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 삽입물은 제거가능한 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  10. 적어도 하나의 기체상 반응물의 촉매 화학 반응 방법에 있어서, 상기 방법은 촉매 물질을 지나 상기 적어도 하나의 기체상 반응물을 흐르게 하는 단계와 상기 적어도 하나의 기체상 반응물을 반응시켜 적어도 하나의 생성물을 형성시키는 단계를 가지며 하기 단계:
    (a) 내부에 분자 확산을 허용하는 다공성을 갖는 다공성 구조로서 상기 촉매 물질을 제공하는 단계로서, 상기 다공성 구조는 길이, 폭 및 두께를 추가로 가지며, 상기 다공성 구조는 상기 적어도 하나의 반응물이 통과하는 벌크 흐름 경로를 형성하는 마이크로채널의 적어도 하나의 벽의 일부 또는 전부를 형성하는 단계, 및
    (b) 상기 마이크로채널을 통해 상기 적어도 하나의 반응물이 상기 촉매 물질을 포함하는 상기 다공성 구조를 접촉하며 통과하도록 흐르게 하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 반응물의 일부 또는 전부가 상기 다공성 구조로 분자적으로 확산하여 내부에서 반응하여 상기 적어도 하나의 생성물이 상기 벌크 흐름 경로로 분자적으로 확산하여 상기 반응기로부터 상기 적어도 하나의 생성물을 이송하는 것인 단계,
    를 포함하는, 화학 반응 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 촉매 반응은 수증기 개질, CO2 개질 부분 산화, 염소화반응, 플루오르화반응, 수소화반응, 탈수반응, 니트로화반응, 수성가스순환 (water gas shift), 역수성가스순환, 자동열개질(autothermal reforming), 연소, 수소화분해 및 수소화탈황반응을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  12. 제10항에 있어서, 기체 매시간 공간 속도는 상기 적어도 하나의 반응기 마이크로채널 내에서 1초 미만의 체류시간에 상응하는 10,000을 넘는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 반응기 마이크로채널에 이웃한 적어도 하나의 열전달 마이크로채널 내에 적어도 하나의 유체가 흐르는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    적어도 10의 길이 대 두께비를 갖는 촉매 봉, 판재 또는 배플(baffle)을 포함하는 적어도 하나의 반응실을 추가로 포함하며,
    상기 적어도 하나의 반응실 각각은 반응실 벽으로 형성되는 내적을 갖고,
    상기 내적은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖고,
    상기 적어도 하나의 반응실은 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비하며,
    반응실을 통한 압력 강하가 총 시스템 입구 압력의 20% 미만이 되도록 상기 촉매 봉, 판재 또는 배플은 상기 반응실에 놓이는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  15. 청구항 1에 있어서,
    적어도 3개 층을 포함하는 적어도 하나의 반응실,
    제1 다공성 촉매 물질을 포함하는 제1 층,
    열교환기 및 제2 층을 통한 적어도 하나의 유체 흐름 경로를 구비하는 제2 층으로서, 제1 층을 통해 흐르는 유체가 상기 적어도 하나의 유체 흐름 경로를 통과할 수 있도록 상기 제2 층은 상기 반응실에 놓이는 것인 제2층,
    반응실에 놓이는 제2 다공성 촉매 물질의 제3 층을 구비하여 제2 층을 통과하는 흐름이 상기 제2 다공성 촉매 물질로 통과할 수 있는 것인 제3 층,
    을 구비하는 화학 반응기에 있어서,
    상기 제1 층은 채널 높이, 채널 폭 및 채널 길이의 치수를 갖는 연속된 채널을 갖고,
    상기 연속된 채널의 상기 적어도 하나는 0.1 마이크로미터에서 2 mm 까지의 채널 높이 또는 채널 폭을 구비하고,
    상기 연속된 채널의 상기 적어도 하나의 일부 또는 전부는 상기 제1 다공성 촉매 물질을 구비하며,
    상기 제1 다공성 촉매 물질은 5 내지 98%의 공극 부피를 갖고 공극 부피의 20 이상은 0.1 내지 300 미크론 크기의 공극을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 열교환기는 마이크로채널 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 연속된 채널의 상기 적어도 하나는 0.3 마이크로미터 내지 2 mm의 채널 높이 또는 채널 폭을 구비하며, 상기 제3 층은 채널 높이, 채널 폭 및 채널 길이의 치수를 갖는 연속된 채널을 갖고, 이들 연속된 채널의 적어도 하나는 0.3 마이크로미터 내지 2 mm의 채널 높이 또는 채널 폭을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 흐름 경로는 마이크로채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제1 층은 입구를 갖고 상기 제3 층은 출구를 갖고 상기 출구에서 상기 입구까지 연결하는 도관을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 도관은 분리제를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  21. 제17항에 있어서, 상기 제1 층의 다공성 촉매 물질은 메탈 폼(metal foam) 또는 펠트를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  22. 청구항 10에 있어서,
    탄화수소 수증기를 개질방법으로서,
    수증기와 탄화수소를 포함하는 반응물 스트림을 적어도 하나의 반응실로 통과시키는 단계를 포함하고,
    상기 반응실은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖는 내적을 갖고,
    상기 적어도 하나의 반응실은 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비하고,
    상기 적어도 하나의 반응실은 시작부분과 끝부분을 갖고 상기 반응실 길이는 반응실의 시작부분에서 끝부분까지의 거리이고,
    상기 반응실의 상기 시작부분으로 유입하는 상기 반응물 스트림은 상기 반응실을 빠져나가는 생성물 스트림으로 전환되고,
    상기 생성물 스트림은 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 반응실의 시작부분으로 유입하는 탄화수소의 상기 평형 전환의 적어도 70%는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 그 조합으로부터 선택되는 것으로 전환되며,
    상기 탄화수소는 300 msec 미만의 접촉 시간을 갖는 것인,
    화학 반응 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 반응실은 다공성 촉매 물질과 벌크 흐름 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 벌크 흐름 채널은 상기 반응실의 상기 시작부분에서 상기 끝부분까지 연속되는(contiguous) 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 반응실 내에 다수의 벌크 흐름 채널이 존재하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  26. 제23항에 있어서, 반응실의 상기 시작부분에서 상기 끝부분까지의 압력강하가 20% 미만인 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  27. 제23항에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 반응실의 상기 시작부분으로 유입하는 상기 메탄의 상기 평형 전환의 적어도 90%가 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 그 조합으로부터 선택되는 것으로 전환되며,
    상기 메탄은 30 msec 미만의 접촉 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 반응실은 측면들을 구비하고 상기 반응실의 적어도 두 측면은 다공성 촉매 물질을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 다공성 촉매 물질은 5 내지 95%의 공극 부피를 갖고 상기 공극 부피의 20%를 넘는 부분이 0.3 내지 200 미크론의 크기를 갖는 공극을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 방법.
  30. 제23항에 있어서, 열을 이웃한 마이크로채널 열교환기로부터 반응실로 부가하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 수증기 개질 방법.
  31. 화학반응기에서 청구항 10에 기재된 화학반응방법을 실행하는 화학 반응 실행 방법에 있어서,
    기체성 반응물을 반응실의 제1 구획으로 통과시키고,
    상기 반응실은 다공성 촉매 물질, 제1 구획 및 제2 구획을 구비하고,
    상기 제1 구획은 구획 높이, 구획 폭 및 구획 길이의 치수를 갖는 내적을 갖고,
    상기 제1 구획은 2 mm 이하의 구획 높이 또는 구획 폭을 구비하고,
    상기 다공성 촉매 물질은 상기 제1 구획과 상기 제2 구획 사이에 놓이고,
    상기 기체성 반응물은 적어도 하나의 생성물을 형성하기 위해 상기 다공성 촉매 물질 내에서 반응하며,
    상기 제1 구획 및 상기 제2 구획은 기체의 벌크 흐름을 허용하는 개방 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 적어도 하나의 생성물은 제2 구획을 통과하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  33. 제31항에 있어서, 제2 기체성 반응물을 제2 구획으로 통과하는 단계를 추가로 구비하고, 제2 구획으로부터의 기체성 반응물은 다공성 촉매 물질로 이동하고 제1 구획으로부터의 기체성 반응물과 반응하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  34. 화학반응기에서 청구항 10에 기재된 화학반응방법을 실행하는 방법에 있어서,
    기체성 반응물을 제1 구획, 제2 구획 또는 둘다로 통과시키고,
    파티션이 제1 구획과 제2 구획 사이에 놓이고,
    상기 파티션은 유체 분배 층 또는 분리제를 구비하고,
    상기 제1 구획은 구획 높이, 구획 폭 및 구획 길이의 치수를 갖는 내적을 갖고,
    상기 제1 구획은 2 mm 이하의 구획 높이 또는 구획 폭을 구비하고,
    상기 제1 구획은 다공성 촉매 물질을 구비하고,
    기체가 상기 파티션을 통해 이동하며,
    상기 제1 구획은 기체의 벌크 흐름을 허용하는 적어도 하나의 개방 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제2 구획은 기체의 벌크 흐름을 허용하는 적어도 하나의 개방 공간을 구비하며, 상기 파티션은 흐름 분배 층을 구비하고,
    상기 기체성 반응물은 제1 구획에서 제2 구획으로 흐름 분배 층을 통해 대류적으로 이동하고,
    상기 기체성 반응물은, 상기 흐름 분배 시트를 통해 이동한 후, 제2 구획에 포함된 다공성 촉매 물질과 반응하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 제2 구획은 기체의 벌크 흐름을 허용하는 적어도 하나의 개방 공간을 구비하며, 상기 파티션은 막과 흡착제로 이루어지는 군에서 선택되는 분리제(separating agent)를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  37. 제34항에 있어서, 상기 화학 반응기는 병렬로 또는 직렬로 배열되는 다수의 반응실을 구비하고,
    다수의 반응실의 제1 구획으로 기체성 반응물을 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  38. 제36항에 있어서, 상기 분리제는 팔라듐 막을 구비하며, 상기 방법은 팔라듐 막을 통해 수소를 연속적으로 제거하는 것을 포함하는 화학 반응 실행 방법.
  39. 화학 반응을 실행하는 방법에 있어서,
    반응실의 벌크 흐름 경로로 기체성 반응물을 통과시키는 단계를 포함하고,
    상기 반응실은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖는 내적을 갖고,
    상기 적어도 하나의 반응실은 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비하고,
    다공성 촉매 물질이 상기 내적 내에 놓이고, 상기 기체성 반응물이 물질 내부에 분자적으로 확산되도록 상기 다공성 촉매 물질은 다공성 내부 구조를 갖고,
    상기 기체성 반응물은 적어도 하나의 생성물을 형성하기 위해 상기 다공성 촉매 물질에서 반응하며,
    상기 벌크 흐름 경로는 상기 반응실 길이 전체에 연속되는 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 반응실에서의 상기 기체성 반응물의 접촉 시간은 100 msec 미만인 것을 특징으로 하는 화학 반응 실행 방법.
  41. 화학 반응기에 있어서,
    적어도 하나의 다공성 촉매 물질 및 적어도 하나의 개방 영역을 구비하고,
    상기 적어도 하나의 반응실 각각은 반응실 벽에 의해 형성되는 내적을 갖고,
    상기 내적은 반응실 높이, 반응실 폭 및 반응실 길이의 치수를 갖고,
    상기 적어도 하나의 반응실은 2 mm 이하의 반응실 높이 또는 반응실 폭을 구비하고,
    상기 반응실 높이 또는 반응실 폭이 2mm 이하인 구역에서, 상기 반응실 높이와 상기 반응실 폭은 단면적을 형성하고,
    상기 단면적은 다공성 촉매 물질 영역과 개방 영역을 구비하는데, 상기 다공성 촉매 물질 영역은 5% 내지 95%의 단면적을 점유하고 상기 개방 영역은 5% 내지 95%의 단면적을 점유하고,
    상기 단면적 내의 상기 개방 영역은 5 x 10-8 내지 1 x 10-2 m2 의 연속 영역을 점유하고 상기 다공성 촉매 물질은 5 내지 98%의 공극 부피를 갖고 공극 부피의 20% 초과가 0.1 내지 300 미크론의 크기를 갖는 공극을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  42. 제41항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반응실은 반응실의 길이에 걸쳐 연속되는(contiguous) 벌크 흐름 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  43. 제42항에 있어서, 벌크 흐름 채널은 곧은 것(straight)을 특징으로 하는 화학 반응기.
  44. 제42항에 있어서, 5 내지 1000 벌크 흐름 채널을 구비하는 것을 특징으로 하 는 화학 반응기.
  45. 제41항에 있어서, 상기 다공성 촉매 물질은 제1 물질의 코어 및 상기 제1 물질의 일부 또는 전부에 놓인 제2 물질의 코팅을 구비하고, 상기 제1 물질의 공극이 상기 제2 물질의 공극보다 큰 것인 반응기.
  46. 제41항에 있어서, 적어도 5 개 반응실을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  47. 제41항에 있어서, 적어도 두 개의 반응실로부터의 기체가 적어도 하나의 혼합실에서 혼합할 수 있도록 놓이는 다수의 반응실과 적어도 하나의 혼합실을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  48. 제42항에 있어서, 오프셋팅(offsetting)된 다공성 분할기를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  49. 제42항에 있어서, 상기 반응실과 열접촉하는 마이크로채널 열교환기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  50. 제42항에 있어서, 상기 다공성 촉매 물질은 반응실로 삽입될 수 있거나 반응 실로부터 분리될 수 있는 분리형 유니트인 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  51. 제42항에 있어서, 기체 구획과 흐름 분배 층을 추가로 구비하여 흐름 분배 층이 기체 구획과 반응실 사이에 놓여져 기체 구획으로부터 흐름 분배 층을 통해 반응실까지 기체가 흐르는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  52. 제42항에 있어서, 기체 구획을 추가로 구비하고, 다공성 촉매 물질은 상기 기체 구획과 상기 반응실의 개방 영역 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  53. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반응실은 화이버 또는 배플을 구비하고 상기 화이버 또는 배플은 다공성 촉매 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
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