KR101783794B1 - 용접된 마이크로채널 프로세서 - Google Patents

용접된 마이크로채널 프로세서 Download PDF

Info

Publication number
KR101783794B1
KR101783794B1 KR1020137012807A KR20137012807A KR101783794B1 KR 101783794 B1 KR101783794 B1 KR 101783794B1 KR 1020137012807 A KR1020137012807 A KR 1020137012807A KR 20137012807 A KR20137012807 A KR 20137012807A KR 101783794 B1 KR101783794 B1 KR 101783794B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
plate
heat exchange
catalyst
fuel
Prior art date
Application number
KR1020137012807A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140035867A (ko
Inventor
안나 리 톤코비치
토마스 유스차크
카이 토드 폴 야로쉬
폴 니글
빈 양
라비 아로라
제프리 마르코
제니퍼 마르코
배리 엘. 양
안드레아스 문딩
새라 캄피
Original Assignee
벨로시스, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 벨로시스, 인코포레이티드 filed Critical 벨로시스, 인코포레이티드
Publication of KR20140035867A publication Critical patent/KR20140035867A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101783794B1 publication Critical patent/KR101783794B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0012—Brazing heat exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00018—Construction aspects
    • B01J2219/00024—Revamping, retrofitting or modernisation of existing plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00801—Means to assemble
    • B01J2219/00804—Plurality of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00801—Means to assemble
    • B01J2219/00804—Plurality of plates
    • B01J2219/00806—Frames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00801—Means to assemble
    • B01J2219/00804—Plurality of plates
    • B01J2219/00808—Sealing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00822—Metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
    • B01J2219/0086—Dimensions of the flow channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00891—Feeding or evacuation
    • B01J2219/00898—Macro-to-Micro (M2M)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49352—Repairing, converting, servicing or salvaging
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49366—Sheet joined to sheet
    • Y10T29/49368—Sheet joined to sheet with inserted tubes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 프로세스 층 및 적어도 하나의 열교환 층을 형성하는 적층된 다수의 플레이트를 포함하며, 각각의 플레이트는 주변 에지를 가지며, 각각의 플레이트의 상기 주변 에지는 상기 적층에 대한 주위 밀봉을 제공하도록 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접되며, 인접한 플레이트 사이의 용접의 평균 침투에 대한 각각의 인접한 플레이트의 평균 표면적의 비율은 적어도 약 100 ㎠/mm인 장치에 관한 것이다. 상기 적층은 마이크로채널 프로세서용 코어 어셈블리로 사용될 수 있다. 상기 마이크로채널 프로세서는 SMR 반응과 같은 화학 반응을 포함하는 하나 이상의 단위 조작을 행하는데 사용될 수 있다.

Description

용접된 마이크로채널 프로세서{WELDED MICROCHANNEL PROCESSOR}
본 출원은 35 U.S.C. §19(e)에 근거하여 2011.7.21일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/510,191호; 2011.2.9일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/441,276호; 그리고 2010.10.18일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/394,328호에 대한 우선권의 이익을 주장한 것이다. 상기 가특허출원의 개시사항은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 마이크로 프로세서에 관한 것이며, 특히 개조(보수)될 수 있는 마이크로 프로세서에 관한 것이다.
마이크로채널 기술에서 기존 생각은 마이크로 프로세서에서 최적의 열전달은 브레이징(brazing) 혹은 확산 접합(diffusion bonding)에 의해서만 얻을 수 있다는 것이었다. 이러한 방법은 층(layers) 사이의 연속적인 금속 인터페이스(interface)의 형성에 의존한다. 연속 인터페이스는 발열 반응으로부터의 열을 열 제거층으로 이동시키거나 혹은 흡열 반응에 열을 부가하도록 열을 전달하는 목적에 유리할 수 있다.
층 사이에 연속적인 금속 인터페이스를 제공하기 위해 브레이징 또는 확산 접합으로 제조된 마이크로 프로세서의 문제는 촉매 코팅뿐만 아니라 다른 코팅, 예를 들어, 보호 배리어 코팅, 비-점착성(non-stick) 코팅, 금속 먼지에 대한 저항성이 있는 코팅, 부식억제 코팅 등의 교체를 전형적으로 포함하는, 이들의 분해 및 개조에 쉽게 적응할 수 없다는 것이다. 따라서, 이들 프로세서는 장기간 사용하는 경우에 일반적으로 교체되어야 한다. 마이크로 프로세서는 비용이 많이 들고, 장시간 사용시의 교체 필요성은 많은 적용에서 상업적으로 바람직하지 않다. 본 발명은 이 문제에 대한 해결방안을 제공한다.
본 발명은 마이크로 프로세서의 코어 어셈블리로 사용될 수 있는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 적어도 하나의 프로세스 층 및 적어도 하나의 열교환 층을 형성하는 적층된 다수의 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 각각의 플레이트는 주변 에지(peripheral edge)를 가지며, 각각의 플레이트의 상기 주변 에지는 상기 적층에 대한 주위 밀봉(perimeter seal)을 제공하도록 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접되며, 밀리미터(mm)로 나타낸 인접한 플레이트 사이의 용접의 평균 침투에 대한 평방 센티미터(㎠)로 나타낸 각각의 인접한 플레이트의 평균 표면적의 비율은 적어도 약 100 ㎠/mm이며, 또는 약 100 내지 약 100,000, 또는 약 100 내지 약 50,000, 또는 약 100 내지 약 30,000, 또는 약 100 내지 약 20,000, 또는 약 100 내지 약 10,000, 또는 약 100 내지 약 5000, 또는 약 100 내지 약 2000, 또는 약 100 내지 약 1800, 또는 약 100 내지 약 1600 ㎠/mm의 범위이다. 놀랍게도 용접 침투에 대한 플레이트 표면적이 상기 비율인 주변 용접을 사용한 비교적 큰 마이크로채널 프로세서가 성공적으로 사용될 수 있음으로, 상기 비율은 중요할 수 있다.
본 발명은, 적어도 하나의 프로세스 층 및 적어도 하나의 열교환 층을 형성하는 적층된 다수의 플레이트를 포함하며, 상기 각각의 플레이트는 주변 에지를 가지며, 각각의 플레이트의 상기 주변 에지는 상기 적층에 대한 주위 밀봉을 제공하도록 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접되며, 상기 포로세스 층은 증기 메탄 개질 촉매(steam methane reforming catalyst)를 함유하여, 상기 열교환 층은 연소 촉매(combustion catalyst)를 함유하는 장치에 관한 것이다.
일 실시형태에서, 상기 적층은 격납 용기에 위치될 수 있으며, 상기 적층은 대기 압력보다 높은 내부 압력에서 작동하도록 구성(adapt)되고, 상기 격납 용기(containment vessel)는 대기 압력보다 높은 내부 압력에서 작동하도록 구성되고 상기 적층의 외부 표면에 압력의 적용을 제공하며, 상기 격납 용기는 격납 용기 내의 압력을 적어도 상기 적층의 내부 압력 정도로 높게 유지하도록 하는 제어 메카니즘을 포함한다. 상기 제어 메카니즘은 체크 밸브 및/또는 압력 조절기를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 반응 가스가 프로세스 층에서 사용될 수 있으며 오염 가스(contaminant gas)가 격납 용기에 사용될 수 있으며, 상기 제어 메카니즘은 억제 가스에 의해 제공되는 압력이 감소되는 경우에, 프로세스 가스를 상기 격납 용기의 내부로 우회시키는 배관 시스템을 포함한다.
일 실시형태에서, 외골격은 상기 적층에 대한 구조적 지지를 제공하도록 상기 적층의 외부에 탑재될 수 있다.
일 실시형태에서, 말단 플레이트(end plate)는 상기 적층에 대한 구조적 지지를 제공하도록 상기 적층의 각각의 측면(side)에 부착될 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 프로세스 층은 단위 조작을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세스 마이크로채널을 포함할 수 있으며, 상기 열교환 층은 열교환 유체를 함유하는 적어도 하나의 채널을 포함할 수 있으며, 상기 열교환 유체는 상기 프로세스 층의 가열 혹은 냉각을 제공한다.
일 실시형태에서, 프로세스 층은 플레이트에 형성된 다수의 프로세스 마이크로채널을 포함할 수 있으며, 상기 장치는 유체가 동일한 플레이트 내에서 하나의 프로세스 마이크로채널에서 다른 프로세스 마이크로채널로 흐르는 것을 방지하기 위해 내부 용접(internal welding)을 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 열교환 층은 플레이트에 형성된 다수의 열교환 채널을 포함할 수 있으며, 상기 장치는 유체가 동일한 플레이트 내에서 하나의 열교환 채널에서 다른 열교환 채널로 흐르는 것을 방지하기 위해 내부 용접을 포함한다.
일 실시형태에서, 용접 재료는 각 플레이트의 주변 에지를 용접하는데 사용할 수 있으며, 상기 플레이트는 금속 또는 금속 합금으로 제조되고, 상기 용접 재료는 금속 또는 금속 합금으로 제조된다. 일 실시형태에서, 상기 플레이트 및 상기 용접 재료는 동일한 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다. 일 실시형태에서, 금속 합금은 니켈, 크롬, 코발트, 몰리브덴 및 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 각 플레이트의 주변 에지는 레이져를 사용하여 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접될 수 있다.
상기 플레이트는 적어도 약 200 평방 센티미터(㎠)의 표면적 또는 약 200 내지 약 48000 ㎠, 또는 약 200 내지 약 30,000, 또는 약 200 내지 약 15000, 또는 약 1000 내지 약 5000, 또는 약 1500 내지 약 2500, 또는 약 2000 ㎠의 표면적을 가질 수 있다. 용어 플레이트의 "표면적"은 플레이트의 전체 길이에 플레이트의 전체 폭를 곱한 값을 말한다. 따라서, 예를 들어, 75 cm의 전체 길이 및 30 cm의 전체 폭을 갖는 플레이트는 2250 ㎠의 표면적을 갖는다.
인접한 플레이트 사이의 용접의 평균 침투(penetration)는 최고 약 10 밀리미터(mm), 또는 약 0.25 내지 약 10 mm, 또는 약 0.25 내지 약 8 mm, 또는 약 0.25 내지 약 6.5 mm, 또는 약 0.25 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 내지 약 3 mm, 또는 약 0.75 내지 약 3 mm, 또는 약 1 내지 약 2 mm, 또는 약 1 내지 약 1.5 mm, 또는 약 1.27 mm일 수 있다. 용어 "용접의 평균 침투"는 용접 재료가 두 개의 인접한 플레이트의 주변 에지에 적용되는 경우에, 두 개의 인접한 플레이트 사이의 간격(gap)을 용접 재료가 침투하는 평균 깊이를 말한다. 이는 도 22에 도시되었으며, 여기서 용접은 두 인접한 플레이트의 주변 에지에 적용되고, 용접은 상기 플레이트 사이의 간격에 침투한다("용접 침투").
상기 장치는 하나 또는 복수의 프로세스 층, 예를 들어, 1 내지 약 1000, 또는 1 내지 약 100, 또는 1 내지 약 50, 또는 1 내지 약 30, 또는 약 2 내지 약 30, 또는 약 4 내지 약 30, 또는 약 8 내지 약 24, 또는 약 16의 프로세스 층을 제공하도록 충분한 수의 플레이트; 및 하나 또는 복수의 열교환 층, 예를 들어, 1 내지 약 1000, 또는 1 내지 약 100, 또는 1 내지 약 50, 또는 1 내지 약 30, 또는 약 2 내지 약 30, 또는 약 4 내지 약 36, 또는 약 8 내지 약 24, 또는 약 16의 열교환 층을 포함할 수 있다. 상기 플레이트는 수평으로 정렬될 수 있으며 하나의 위에 다른 것이 적층될 수 있고, 수직으로 정렬되고 나란히 위치될 수 있다. 상기 프로세스 층 및 열교환 층은 프로세스 층이 열교환 층에 인접하고, 열교환 층은 다른 프로세스 층에 인접하고, 프로세스 층은 다른 열교환 층에 인접하는 등의 순서로 교대로 정렬될 수 있다. 또한, 그 대신 둘 이상의 프로세스 층 및/또는 둘 이상의 열교환 층은 서로 인접하여 배치될 수 있다.
상기 장치는 하나 또는 다수의 반복 단위를 포함할 수 있으며, 각각의 반복 단위는 같고, 각각은 하나 이상의 프로세스 층과 하나 이상의 열교환 층을 포함한다. 예를 들어, 반복 단위는 1 내지 약 10, 또는 1 내지 약 5, 또는 1 내지 약 3, 또는 약 2개의 프로세스 층; 및 1 내지 약 10, 또는 1 내지 약 5, 또는 1 내지 약 3, 또는 약 2의 열교환 층을 포함할 수 있다. 반복 단위는 수직으로 정렬되고 나란히 위치되어, 수평으로 정렬될 수 있으며, 하나가 다른 것의 위에 적층될 수 있다. 각각의 반복 단위 내에서, 상기 프로세스 층 및 열교환 층은 프로세스 층이 열교환 층에 인접하고, 열교환 층은 다른 프로세스 층에 인접하고, 프로세스 층은 다른 열교환 층에 인접하는 등의 순서로 교대로 정렬될 수 있다. 또한, 그 대신 둘 이상의 프로세스 층 및/또는 둘 이상의 열교환 층은 서로 인접하여 배치될 수 있다. 상기 플레이트의 적층은 어떠한 수의 반복 단위, 예를 들어, 1 내지 약 1000, 또는 1 내지 약 500, 또는 1 내지 약 100, 또는 1 내지 약 50, 또는 1 내지 약 20, 또는 1 내지 약 10개의 반복 단위를 포함할 수 있다.
상기 장치는 프로세스 층 내로 유체의 흐름을 제공하기 위해, 상기 적층에 용접된 유입 프로세스 매니폴드; 프로세스 층 외부로 유체의 흐름을 제공하기 위해, 상기 적층에 용접된 배출 프로세스 매니폴드; 상기 열교환 층 내로 유체의 흐름을 제공하기 위해, 상기 적층에 용접된 적어도 하나의 유입 열교환 매니폴드; 및 열교환 층 외부로 유체의 흐름을 제공하기 위한 열교환 배출구를 추가로 포함할 수 있다. 상기 열교환 배출구는 적층의 말단에 용접되고 상기 열교환 층으로부터의 배가스의 흐름을 제공하도록 구성된 배가스 배출구(exhaust outlet)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 코어 어셈블리로 칭할 수 있는, 적층은 격납 용기에 배치될 수 있거나 혹은 작동 중의 압력을 견딜 수 있도록 코어 어셈블리 주위에 배치된 기계적 브레이스(mechanical braces)를 가질 수 있다. 상기 적층은 대기압보다 높은 내부 압력, 예를 들어, 최고 약 15 MPa, 또는 최고 약 12 MPa, 또는 최고 약 10 MPa, 또는 최고 약 7 MPa, 또는 최고 약 5 MPa, 또는 최고 약 3 MPa의 압력 게이지, 또는 약 0.1 내지 약 15 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 12 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 10 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 7 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 5 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 3 MPa의 범위, 또는 약 0.2 내지 약 10 MPa의 범위, 또는 약 0.2 내지 약 5 MPa의 범위에서 작동하도록 구성될 수 있다. 상기 적층 내의 내부 압력은 프로세스 층에서의 프로세스 활동 및/또는 상기 열교환 층에서의 열교환 활동에 의해 발생될 수 있다. 프로세스 층에서 제 1 압력으로의 제 1 단위 오퍼레이션의 작동 및 열교환 층에서 제 2 압력으로의 열교환 프로세스의 결과로 상기 적층 내에 둘 이상의 내부 압력이 있을 수 있다. 예를 들어, 비교적 높은 압력은 프로세스 층에서의 고압 반응, 예를 들어, SMR 반응의 결과일 수 있으며, 비교적 낮은 압력은 열교환 층에서의 반응, 예를 들어, 연소 반응의 결과일 수 있다. 프로세스 층의 내부 압력과 열교환 층의 내부 압력 간의 압력차는 최고 약 10 MPa, 또는 약 0.1 내지 약 10 MPa의 범위, 또는 약 0.2 내지 약 5 MPa의 범위일 수 있다. 또한, 상기 격납 용기는 대기압보다 높은 내부 압력, 예를 들어, 최고 약 10 MPa, 또는 최고 약 7 MPa, 또는 최고 약 5 MPa, 또는 최고 약 4 MPa, 또는 최고 약 3.5 MPa, 또는 최고 약 3 MPa의 게이지 압력, 또는 약 0.1 내지 약 10 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 7 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 5 MPa의 범위, 또는 약 0.1 내지 약 3 MPa의 범위에서 작동하도록 구성될 수 있다. 격납 용기 내의 내부 압력은 억제 가스(containment gas)를 사용하여 유지될 수 있다. 상기 억제 가스는 질소와 같은 불활성 가스일 수 있다. 격납 용기 내의 내부 압력은 적층의 외부 표면에 압력을 제공함으로써 상기 적층에 대한 구조적인 지지를 제공하도록 사용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 격납 용기는 격납 용기 내의 압력을 적어도 적층 내의 내부 압력 정도의 높은 수준으로 유지하기 위해 제어 메카니즘을 포함할 수 있다. 이 방법에서, 적층의 외부에 가해지는 압력은 적층 내의 내부 압력과 적어도 같거나 혹은 초과할 수 있다. 억제 가스에 의해 제공되는 구조적 지지로 인하여, 상기 적층의 구조적 지지를 제공하는 클램프, 외부 브레이스, 외부 지지체 등의 사용이 방지될 수 있다. 개조가 필요한 경우에, 클램프, 외부 브레이스, 외부 지지체 등은 고가이며, 문제시될 수 있다.
상기한 바와 같이, 격납 용기 내의 압력을 유지하기 위한 제어 메카니즘은 체크 밸브 및/또는 압력 조절기를 포함할 수 있다. 이들 중 하나 또는 모두가 격납 용기 내의 압력이 적어도 상기 적층의 내부 압력 정도로 높은 수준으로 확실하게 유지될 수 있도록, 파이프, 밸브, 컨트롤러, 등의 시스템과 함께 사용할 수 있다. 이는 적층을 밀봉하는데 사용되는 주변 용접을 보호하는 위해 부분적으로 사용된다. 적층 내의 내부 압력의 상응하는 감소 없이, 격납 용기 내의 압력의 상당한 감소는 비용이 드는 주변 용접의 파열을 초래한다. 제어 메카니즘은 억제 가스에 의해 가하여져서 압력이 감소되는 경우에, 하나 이상의 프로세스 가스가 격납 용기 내로 전환(우회)되도록 하는 배관 시스템을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 외골격을 포함할 수 있는 구조적 지지는 적층에 대한 구조적 지지를 제공하도록 적층의 외부에 탑재될 수 있다. 외골격은 적층의 말단 플레이트의 주요 외부면과 밀접하게 접촉 (예를 들어, 용접에 의해)되어 유지되는 보강 부재의 배열을 포함할 수 있다. 보강 부재의 배열은 이들의 적층 (즉, 플레이트의 면에 대한 직각 방향)으로의 굽힘에 대한 저항성이 있도록 될 수 있다. 또한, 보강 부재는 측면 혹은 말단의 파열을 최소화하도록 상기 플레이트의 면(plane)에 부가될 수 있다. 적층에 대한 구조적 지지를 제공하는 외골격의 사용은 도 32에 도시된다.
상기한 바와 같이, 구조적 지지는 적층의 각각의 측면에 부착 또는 용접된 비교적 두꺼운 말단 플레이트의 사용에 의해 제공될 수 있다. 비교적 두꺼운 말단 플레이트는 약 1 센티미터 이상의 두께를 가질 수 있으며, 반응기에 대한 의도하는 디자인 온도 및 온도에 따라, 적층 단면에 기초하여 크기를 조정할 수 있다. 작동 중에 내부 압력을 유지하기 위해 비교적 두꺼운 말단 플레이트를 사용하는 일 실시형태에서, 말단 플레이트에 대한 용접 침투는 적층의 내부 플레이트에 사용되는 용접 침투보다 클 수 있다. 이와 같이, 말단 플레이트에 대한 용접 침투는 약 0.75 mm 보다 크거나, 또는 약 1.5 mm 보다 크거나, 또는 약 2 mm 보다 크거나, 또는 약 3 mm 보다 크거나, 또는 약 5 mm 보다 크거나, 또는 약 7 mm 보다 크거나 또는 10 mm 보다 클 수 있다.
장치는 프로세스 층에서 적어도 하나의 단위 조작을 행하기에 적합할 수 있다. 단위 조작은 화학 반응, 증발, 압축, 화학 분리, 증류, 응축, 혼합, 가열, 냉각 또는 이들의 2종 이상의 조합을 포함할 수 있다.
화학 반응은 메탄올 합성 반응, 디메틸 에테르 합성 반응, 암모니아 합성 반응, 수성 가스 전환 반응(water gas shift reaction), 아세틸화 첨가 반응, 알킬화, 디알킬화(dealkylation), 하이드로디알킬화(hydrodealkylation), 환원성 알킬화, 아미노화(amination), 방향족화, 아릴화, 자기열 개질법(autothermal reforming), 카르보닐화, 디카르보닐화(decarbonylation), 환원성 카르보닐화(reductive carbonylation), 카르복시화(carboxylation), 환원성 카르복시화, 환원성 커플링, 축합, 분해(cracking), 수소화분해(hydrocracking), 고리화(cyclization), 시클로올리고머화(cyclooligomerization), 디할로겐화, 이합체화, 에폭시화, 에스테르화, 피셔-트롭쉬 반응, 할로겐화, 하이드로할로겐화(hydrohalogenation), 호몰로게이션(homologation), 수화, 탈수, 수소화, 탈수소화, 하이드로카르복시화(hydrocarboxylation), 하이드로포밀화(hydroformylation), 가수소분해(hydrogenolysis), 하이드로메탈레이션(hydrometallation), 하이드로실릴화(hydrosilation), 가수분해(hydrolysis), 수소처리(hydrotreating), 이성질체화, 메틸화(methylation), 디메틸화(demethylation), 복분해(metathesis), 니트로화(nitration), 산화(oxidation), 부분 산화(partial oxidation), 중합체화, 환원, 개질(reformation), 역 수성 가스 전환(reverse water gas shift), 술폰화, 텔로메리제이션(telomerization), 트랜스에스테르화(transesterification), 트리머화(trimerization), Sabatier 반응, 이산화탄소 개질, 선택 산화(preferential oxidation), 부분 산화(partial oxidation), 또는 선택 메탄화(preferential methanation) 반응을 포함할 수 있다. 상기 화학 반응은 증기 메탄 개질(steam methane reforming, SMR) 반응을 포함할 수 있다. 상기 화학 반응은 에틸렌, 스티렌, 포름알데히드 및/또는 부타디엔을 제조하는 공정을 포함할 수 있다.
프로세스 층은 병렬로 정렬된 다수의 프로세스 마이크로채널을 포함할 수 있다. 각각의 프로세스 마이크로채널은 촉매를 포함하는 반응 영역을 포함할 수 있다. 프로세스 층은 프로세스 마이크로채널로 흐르는 반응물의 실질적으로 균일한 분포를 위해 제공되는 다수의 구성된 내부 매니폴드를 포함할 수 있다. 프로세스 층은 또한 프로세스 마이크로채널의 외부로 흐르는 생성물의 실질적으로 균일한 분포를 위해 제공되도록 구성된 다수의 내부 매니폴드를 포함할 수 있다. 프로세스 마이크로채널은 표면 특징(부)(surface features) 및/또는 모세관 특징(부)(capillary features)을 포함할 수 있다.
프로세스 층은 반응물 층, 생성물 층 및 상기 반응물 층에서 상기 생성물 층으로 유체가 흐르도록 하는 상기 반응물 층의 말단과 상기 생성물 층의 말단에 배치된 프로세스 U-턴을 포함할 수 있다. 반응물 층은 생성물 층에 인접하여 배치할 수 있다. 프로세스 층은 하나 이상의 반응물이 생성물을 형성하도록 반응하고, 하나 이상의 반응물은 상기 반응물 층으로 흘러서, 촉매와 접촉하고 반응하여 생성물을 형성하며, 상기 생성물은 생성물 층의 외부로 흐르는 반응에 사용되도록 구성될 수 있다.
열교환 층은 병렬로 정렬된 복수의 열교환 채널을 포함할 수 있다. 열교환 채널은 상기 프로세스 층에 가열 또는 냉각을 제공하도록 사용될 수 있다. 열교환 채널은 마이크로채널을 포함할 수 있다. 열교환 채널은 표면 특징 및/또는 모세관 특징을 포함할 수 있다. 열교환 층은 열교환 채널 내로, 이를 통해, 혹은 이의 외부로 열교환 유체의 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다. 열교환 유체는 액체, 기체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 열교환 층은 열교환 층에서, 연소 반응 또는 그 대신의 다른 산화 또는 발열 반응, 예를 들어, 부분 산화 반응 등을 행할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 열교환 층은 연료 층, 연료 층에 인접하여 위치되는 공기 층, 상기 연료 층과 상기 공기의 층 사이에 위치되는 열교환 벽, 공기가 상기 공기 층으로부터 상기 연료 층으로 흐르도록 하는 상기 열교환 벽의 다수의 개구부(구멍, openings), 혹은 제트(jets), 상기 연료 층에 위치되는 연소 촉매, 배기 층(exhaust layer), 및 배가스(exhaust)가 연료 층에서 배기 층으로 흐르도록 하는 상기 연료 층의 말단과 상기 배기 층의 말단에 위치되는 열교환 U-턴을 포함할 수 있다. 상기 열교환 층은 연료가 연료 층에서 흐르도록, 연료-공기 혼합물을 형성하기 위해 연료와 합해지도록 공기가 공기 층으로부터 열교환 벽의 개구부를 통하여 연료 층으로 흐르도록, 상기 연료-공기 혼합물이 열 및 배가스를 형성하는 연소 반응이 되도록 연소 촉매와 접촉되도록 흐르고, 상기 열은 프로세스 층에 열을 제공하고, 상기 배가스는 상기 열교환 층의 외부로 상기 배기 층을 통해 흐르도록 구성될 수 있다. 상기 연료 층은 연료 마이크로채널 내로 실질적으로 균일한 분포의 연료 흐름을 제공하도록 구성된 다수의 연료 마이크로채널 및 다수의 내부 매니폴드를 포함할 수 있다. 상기 공기 층은 상기 공기 마이크로채널 내로 실질적으로 균일한 분포의 공기 흐름을 제공하도록 구성된 다수의 공기 마이크로채널 및 다수의 내부 매니폴드를 포함할 수 있다. 상기 연료 층 및/또는 상기 공기 층은 표면 특징 및/또는 모세관 특징을 포함할 수 있다.
상기 장치는 증기 메탄 개질반응기를 포함할 수 있으며, 상기 프로세스 층은 증기 메탄 개질촉매 연소 촉매를 함유하며, 상기 열교환 층은 연소 촉매를 함유한다. 상기 증기 메탄 개질촉매는 로듐 및 알루미나 지지체를 포함할 수 있다. 연소 촉매는 백금, 팔라듐 및 알루미나 지지체(support)를 포함할 수 있으며, 알루미나 지지체에는 란타늄이 함침된다.
상기 장치는 프로세스 층 및/또는 열교환 층에 촉매를 포함할 수 있으며, 상기 촉매는 적층을 형성하기 위한 상기 플레이트의 용접 전에 하나 이상의 플레이트 탈-위치(ex-situ)에 적용된다.
상기 장치는 이러한 플레이트의 하나 이상의 표면에 부식 방지 및/또는 점착-방지(anti-sticking) 층을 갖는 하나 이상의 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 장치는 이러한 플레이트의 하나 이상의 표면에 금속 먼지 저항 층(metal dust resistant layer)을 갖는 하나 이상의 플레이트를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 하나 이상의 상기 플레이트는 그 위에 하나 이상의 표면 보호 층을 갖는다. 일 실시형태에서, 상기 표면 보호 층은 두 개 또는 세 개의 층을 포함하며, 각각의 층은 다른 재료의 조성물을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 표면 보호 층은 세 개의 층을 포함하며, 상기 제 1 층은 구리를 포함하고, 제 2 층은 알루미늄- 함유 금속 합금을 포함하고, 제 3 층은 금속 합금을 포함한다. 일 실시형태에서, 촉매는 표면 보호 층에 부착된다.
본 발명은 상기한 장치를 형성하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 플레이트의 적층을 형성하는 단계; 및 주위 밀봉을 제공하도록 각 플레이트의 주변 에지를 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접(welding)하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상기한 장치를 개조(refurbishing)하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 플레이트의 주변 에지에서 용접을 제거하는 단계; 플레이트를 분리하는 단계; 플레이트의 결함을 수정하는 단계; 플레이트의 적층을 리포밍하는 단계(reforming): 및 상기 적층에 새로운 주위 밀봉을 제공하도록 각각의 플레이트의 주변 에지를 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접하는 단계를 포함한다. 본 발명은 상기한 개조 방법에 의해 형성된 개조된 장치에 관한 것이다. 상기 개조 방법은 상기 장치의 사용 기간 동안, 어떠한 원하는 만큼의 회수, 예를 들어, 1 내지 약 20 회, 또는 1 내지 약 15 회, 또는 1 내지 약 10 회, 또는 1 내지 약 5 회, 또는 1 내지 약 2 또는 3 또는 4 회 반복될 수 있다. 상기 장치가 하나 이상의 촉매를 포함하는 경우에, 상기 촉매는 상기 플레이트의 적층의 리포밍 전에 교체(replace) 및/또는 재생될 수 있다. 하나 이상의 촉매가 플레이트의 하나 이상의 표면에 부착되는 경우에, 촉매는 그릿 블라스팅(grit blasting)으로 제거될 수 있다. 하나 이상의 플레이트가 손상된 알루미나 스케일(scale)을 포함하는 경우에, 상기 알루미나 스케일은 열처리에 의해 보강(replenish)될 수 있다. 개조 도중, 하나 이상의 플레이트가 교체될 수 있으며, 이에 따라, 개조 후의 장치는 제조 날짜가 다른 하나 이상의 플레이트 포함할 수 있다. 개조 도중, 하나 이상의 플레이트의 교체로 개조된 장치가 얻어질 수 있으며, 상기 개조된 장치에서 하나 이상의 플레이트는 종래 사용된 본래의 플레이트 세트와 다르다. 처음의 용접 세트가 개조를 위해 제거되는 경우에, 본래의 적층으로부터의 금속 손실을 수용하기 위해, 교체 플레이트는 본래의 플레이트보다 단면(cross section)이 더 조금 작아야 한다. 개조 후의 결과물인 새로운 적층은 각각의 개조 사이클에서 조금 더 작은 단면을 가질 수 있다. 각각의 개조 사이클 동안 제거된 주위(perimeter) 금속의 양은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.5 내지 약 2 mm 범위일 수 있다. 각각의 개조 사이클 동안 손실되는 주위 금속의 양을 최소화하는 것이 바람직하다.
주변 용접은 장치의 개조를 용이하게 하기 위해 비교적 얇을 수 있다. 예를 들어, 평균 용접 침투는 최고 약 10 mm, 또는 약 0.25 내지 약 10 mm, 또는 약 0.25 내지 약 8 mm, 또는 약 0.5 내지 약 6.5 mm, 또는 약 0.5 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 내지 약 3 mm, 또는 약 0.75 내지 약 2 mm, 또는 약 0.75 내지 약 1.5 mm, 또는 약 0.05 인치 (1.27 mm)일 수 있다. 각각의 플레이트는 각각의 플레이트의 활성 영역 (예를 들어, 프로세스 마이크로채널, 열교환 채널 등) 주변에 가장자리(border)가 있을 수 있다. 이는 도 21에 도시되어 있다. 개조 도중에, 주변 용접 및 가장자리 부분은 예를 들어, 상기 용접 및 가장자리가 기계적으로 제거될 수 있다. 따라서, 얇은 용접의 경우에, 더 적은 가장자리 재료가 각각의 개조 도중에 손실될 수 있다. 예를 들어, 각각의 용접의 평균 침투가 0.05 인치 (1.27 mm)이고, 각 플레이트의 각각의 가장자리가 0.5 인치 (12.7 mm)의 폭을 가지면, 각각의 플레이트는 폐기되기 전에 10회 개조될 수 있다. 다수의 개조가 가능하다는 것은 마이크로채널 프로세서의 사용기간을 현저하게 연장하며 이에 따라, 전반적인 비용을 줄일 수 있음으로 매우 중요하다.
본 발명은 상기한 장치를 사용하여 단위 조작을 행하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 프로세스 층에서 단위 조작을 행하는 단계; 및 프로세스 층과 열교환 층 사이의 열교환 단계를 포함한다.
본 발명은 상기한 장치를 사용하여 화학 반응을 행하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 프로세스 층에서 화학 반응을 행하는 단계; 및 프로세스 층과 열교환 층 사이의 열교환 단계를 포함한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 장치를 사용하여 증기 메탄 개질 반응을 행하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 상기 프로세스 층에서 촉매 존재하에, 증기(steam)를 메탄 또는 천연가스와 반응시켜서 합성 가스를 형성하는 단계; 및 상기 프로세스 층에 열을 제공하도옥 상기 열교환 층에서 연소 반응을 행하는 단계를 포함한다.
증기 메탄 개질반응을 행하기 위한 일 실시형태에서, 상기 프로세스 층에서 메탄 또는 천연 가스의 흐름은 초당 약 10 내지 약 200 미터 범위의 겉보기 속도(superficial velocity)이며, 증기 메탄 개질반응의 평형에 대한 접근은 적어도 약 80%이고, 장치에서 압력 강하 당 반응열은 약 2 내지 약 20 W/Pa의 범위이다.
증기 메탄 개질반응을 행하기 위한 일 실시형태에서, 증기 메탄 개질반응에 대한 접촉 시간은 최고 약 25 ms이며, 증기 메탄 개질반응의 평형에 대한 접근은 적어도 약 80%이고, 장치에서 압력 강하 당 반응열은 약 2 내지 약 20 W/Pa의 범위이다. 일 실시형태에서, 단위 접촉 시간 당 반응열은 적어도 약 20 W/ms이다. 일 실시형태에서, 장치에서의 압력 강하 당 반응열은 약 2 내지 20 W/Pa의 범위이다.
본 발명 장치에서 증기 메탄 개질반응을 행하기 위한 일 실시형태에서, 증기 메탄 개질반응은 플레이트의 표면에 형성되는 금속 더스팅 피츠(metal dusting pits) 없이 적어도 약 2000 시간 동안 수행될 수 있다. 일 실시형태에서, 증기 메탄 개질반응은 적어도 약 2000 시간 동안 행하여지며, 적어도 약 2000 시간 동안 반응을 행한 후에 프로세스 층에 대한 압력 강하는 상기 방법의 시작시의 압력 강하의 약 20% 미만으로 증가한다.
일 실시형태에서, 프로세스 층 및/또는 열교환 층에서 플레이트는 표면을 포함하며, 전부는 아니더라도 상기 표면의 일부는 이의 표면에 부착된 촉매, 부식 방지, 및/또는 점착 방지(anti-sticking)층 및/또는 금속 먼지 저항 층을 갖는다. 상기 장치는 새로 제작된 장치이거나 혹은 개조된 장치일 수 있다. 상기 촉매, 부식- 방지, 및/또는 점착 방지(anti-sticking)층 및/또는 금속 먼지 저항 층은 플레이트 전체가 피복되는 연속 층에 비하여 불연속 층 형태일 수 있다. 이러한 불연속 층의 적용은 후술하는 마스크 적용 기술 및 탈-위치 코팅법의 사용에 적용가능하다.
첨부된 도면에서, 부분 및 특징은 동일한 명칭이 부여된다.
도 1은 본 발명의 장치를 형성하는데 사용되는 플레이트의 적층을 보여주는 개략도이다. 도면에서, 일부 플레이트는 함께 적층되며, 다른 것은 상기 적층과 별도로 나타낸다.
도 2는 도 1의 플레이트의 적층을 조립된 형태로 보여주는 개략도이며, 별도의 유체 매니폴드가 프로세스 및 열교환 유체의 흐름을 상기 적층의 내로 그리고 외부로 제공한다.
도 3은 도 2에 나타낸 플레이트의 적층 및 유체 매니폴드의 개략도이며, 유체 매니폴드는 조립된 마이크로채널 프로세서를 제공하도록 상기 적층에 용접된다.
도 4는 격납 용기의 헤더(header)에 탑재된 도 3의 조립된 마이크로채널 프로세서의 개략도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 나타낸 마이크로채널 프로세서를 수용하는데 사용되는 격납 용기의 개략도이다.

도 6은 본 발명의 마이크로채널 프로세서의 프로세스 층에서의 반응물 및 생성물의 흐름 및 본 발명의 마이크로채널 프로세서의 열교환 층에서의 연료, 공기 및 배가스의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 7 및 8은 본 발명의 마이크로채널 프로세서에서 사용되는 플레이트의 적층을 포함하는 반복 단위의 개략도이다.
도 9-18은 도 7 및 도 8에 나타낸 각각의 플레이트의 상부 표면 및 하부 표면을 나타내는 개략도이다.
도 19 및 도 20은 도 1 내지 도 4에 나타낸 타입의 플레이트의 적층 사진이며, 각 플레이트의 주변 에지는 상기 스택의 주위 밀봉을 제공하도록 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접된다.
도 21은 도 1 내지 도 4에 나타낸 플레이트 중 하나의 일부의 개략도이며, 활성 영역은 가장자리로 둘러싸인 다수의 마이크로채널을 포함하며, 상기 가장자리는 상기 플레이트의 주변 에지의 부분을 형성하며, 용접은 플레이트의 주변 에지에 적용되며, 상기 주변 에지를 지나서까지 침투한다.
도 22는 도 1 내지 도 4에 나타낸 타입의 두 플레이트 타입의 일부의 개략도이며, 용접은 각 플레이트의 주변 에지에 적용되며, 상기 플레이트 사이의 간격을 침투한다.
도 23은 SMR 반응기의 전반적인 개략도이며, 상기 반응기는 실시예 2에 개시된 것이다.
도 24는 도 23에 나타낸 SMR 반응기에서 공기 채널로부터 연료 채널로의 공기의 흐름을 제공하는 제트(jets)의 배열을 나타내는 개략도이다.
도 25는 도 23에 나타낸 반응기에 사용되는 4개의 생성물 채널에 대한 연결을 나타내는 개략도이다.
도 26은 도 23에 나타낸 반응기에 대한 P 플레이트 혹은 플레이트 1의 개략도이다.
도 27은 도 23에 나타낸 반응기에 대한 RP 플레이트 혹은 플레이트 2의 개략도이다.
도 28은 도 23에 나타낸 반응기에 대한 Cat 플레이트 혹은 플레이트 3의 개략도이다.
도 29는 도 23에 나타낸 반응기에 대한 FA 플레이트 혹은 플레이트 4의 개략도이다.
도 30은 도 23에 나타낸 반응기에 대한 AE 플레이트 혹은 플레이트 5의 개략도이다.
도 31은 도 23에 나타낸 반응기에 대한 E 플레이트 혹은 플레이트 6의 개략도이다.
도 32는 실시예 2에 개시된 반응기의 개략도이며, 상기 반응기는 구조적 지지를 제공하는 외골격을 포함한다.
도 33은 도 23에 나타낸 반응기의 반응기 섹션에서 SMR 촉매 및 연소 촉매의 위치를 나타내는 개략도이다.
도 34는 도 23에 나타낸 반응기에 사용되는 SMR 촉매를 분사-코팅하기 위한 마스크의 개략도이다.
도 35는 도 23에 도시한 반응기에 대한 AE 플레이트에 부가된 재분배(redistribution) 특징을 나타내는 개략도이다.
도 36은 실시예 2에 개시된 반응기에 대한 SMR 프로세스 성능을 나타내는 그래프이다.
도 37은 실시예 2에 개시된 반응기에 대한 연소 성능을 나타내는 그래프이다.
도 38 및 도 39는 실시예 2에 개시되어 있는 반응기에 대한 압력 강하를 나타내는 그래프이다.
도 40은 실시예 2에 개시되어 있는 로드 벽(load wall) 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 41은 실시예 2에 개시되어 있는 반응기의 배출구에서의 배가스 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 42는 실시예 2에 개시되어 있는 반응기용 연료에서 가변적인 메탄 수준을 갖는 연료인 경우의 로드 월(load wall) 온도 프로파일의 개략도이다.
도 43은 실시예 2에 개시되어 있는 반응기에 대한 가변적인 배기(배가스) 온도를 나타내는 그래프이다.
도 44는 연소 연료 중 메탄 양의 함수로서, 실시예 2에 개시되어 있는 반응기의 길이에 따른 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 45는 마이크로채널 반응기의 벽에 촉매를 적용하는 원-위치(in-situ) 코팅법을 나타내는 개략도이다.
도 46은 SMR 반응기의 플레이트에 촉매를 적용하는 탈-위치(ex-situ) 코팅법을 나타내는 개략도이다.
도 47은 실시예 3에 기술된 멀티채널 SMR 반응기의 R-P 플레이트에 대한 마스킹 플레이트(masking plate)의 도면이다.
도 48은 실시예 3에 기술되어 있는 바와 같이, 상기 플레이트를 촉매로 코팅한 후의 마스크된 플레이트(masked plate)의 사진이다.
도 49는 실시예 4에 기술되어 있는 바와 같이, 금속 더스팅(dusting) 시험에서 인코넬 617의 구리-코팅된 시편의 일련의 사진이다.
도 50은 실시예 4에 기술되어 있는 바와 같이, 금속 더스팅 시험에서 인코넬 617의 미코팅 시편의 일련의 사진이다.
도 51은 실시예 4에 기술되어 있는 바와 같이, 금속 더스팅 시험 동안, 863 시간의 노출 후에, 인코넬 617의 구리-코팅된 시편의 횡단면의 SEM이다.
도 52는 실시예 4에 기술되어 있는 바와 같이, 금속 더스팅 시험 동안 여러 단계에서의 TiC/Al2O3/lnconel 617 시편의 일련의 사진이다.
도 53은 실시예 4에 기술되어 있는 바와 같이, 금속 더스팅 시험에서, 3개의 알루미늄 청동 코팅된 시편의 사진이다.
도 54 및 도 55는 실시예 4에 기술되어 있는 바와 같이, 금속 더스팅에 대한 보호를 제공하는 다층 코팅을 나타낸다.
도 56은 실시예 5에 기술되어 있는 바와 같이, 상기 플레이트를 개조하는 글릿 블라스팅(grit blasting) 절차 전과 후의 SMR 반응기에 대한 Cat-플레이트의 사진이다.
도 57은 실시예 5에 기술되어 있는 바와 같이, 상기 플레이트를 개조하는 글릿 블라스팅 절차 전과 후의 SMR 반응기에 대한 R-P-플레이트의 사진이다.
명세서 및 특허청구범위에 개시되어 있는 모든 범위 및 비는 어떠한 방식으로 조합될 수 있다. 특히 달리 언급하지 않는 한, "a," "an," 및/또는 "the"는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 단수로 나타낸 항목은 또한 다수의 항목을 포함할 수 있다. 특허청구범위에 특정된 모든 조합은 어떠한 방식으로 조합될 수 있다.
용어 "마이크로채널"은 최대 약 10 밀리미터(mm), 또는 최대 약 5 mm 또는 최대 약 2 mm의 높이 또는 폭의 적어도 하나의 내부 치수를 갖는 채널을 말한다. 마이크로채널은 높이, 폭, 및 길이를 가질 수 있다. 상기 높이 및 폭 모두는 마이크로채널에서 유체의 흐름의 벌크 흐름 방향에 대하여 수직일 수 있다. 마이크로채널은 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 배출구를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 유입구는 상기 적어도 하나의 배출구와 구별된다. 상기 마이크로채널은 단지 오리피스가 아닐 수 있다. 상기 마이크로채널은 단지 제올라이트 혹은 다공성(mesoporous) 재료를 통하는 채널이 아닐 수 있다. 상기 마이크로채널의 길이는 상기 높이 또는 폭의 적어도 약 2 배, 또는 상기 높이 또는 폭의 적어도 약 5 배, 또는 상기 높이 또는 폭의 적어도 약 10 배일 수 있다. 상기 높이 또는 폭은 상기 마이크로채널의 반대로 내부 벽 사이의 간격이라고 할 수 있다. 마이크로채널의 내부 높이 또는 폭은 약 0.05 내지 약 10 mm, 또는 약 0.05 내지 약 5 mm, 또는 약 0.05 내지 약 2 mm, 또는 약 0.1 내지 약 2 mm, 또는 약 0.5 내지 약 2 mm, 또는 약 0.5 내지 약 1.5 mm, 또는 약 0.08 내지 약 l.2 mm 범위일 수 있다. 높이 또는 폭의 다른 내부 치수는 어떠한 치수, 예를 들어, 최고 약 10 센티미터(cm), 또는 약 0.1 내지 약 10 cm, 또는 약 0.5 내지 약 10 cm, 또는 약 0.5 내지 약 5 cm일 수 있다. 마이크로채널의 길이는 어떠한 치수일 수 있으며, 예를 들어, 최고 약 250 cm, 또는 약 5 내지 약 250 cm, 또는 약 10 내지 약 100 cm, 또는 약 10 내지 약 75 cm, 또는 약 10 내지 약 60 cm 범위일 수 있다. 상기 마이크로채널은 어떠한 형상의 단면, 예를 들어 정방형(square), 장방형(rectangle), 원형, 반원형, 사다리꼴 등일 수 있다. 상기 마이크로채널의 단면의 형상 및/또는 크기는 길이는 이의 길이에 걸쳐 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로채널의 길이에 걸쳐, 상기 높이 또는 폭은 비교적 큰 치수에서 비교적 작은 치수로 테이퍼(taper)될 수 있거나 혹은 그 반대일 수 있다.
용어 "프로세스 마이크로채널"은 프로세스가 행하여지는 마이크로채널을 말한다. 상기 프로세스는 어떠한 단위 조작을 포함할 수 있다. 상기 프로세스는 화학 반응, 예를 들어, 증기 메탄 개질(SMR) 반응을 포함할 수 있다. 반응은 에틸렌, 스티렌, 포름알데히드, 부타디엔 등을 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 반응은 부분 산화 반응을 포함할 수 있다.
용어 "마이크로채널 프로세서"는 방법이 행하여질 수 있는 하나 이상의 프로세스 마이크로채널을 포함하는 장치를 말한다. 상기 방법은 화학 반응, 예를 들어, SMR 반응을 포함할 수 있다.
용어 "마이크로채널 반응기"는 반응 공정이 행하여지는 하나 이상의 프로세스 마이크로채널를 포함하는 장치를 말한다. 상기 프로세스는 어떠한 화학 반응, 예를 들어, SMR 공정을 포함할 수 있다. 둘 이상의 프로세스 마이크로채널이 사용되는 경우에, 프로세스 마이크로채널은 병렬로 작동될 수 있다. 마이크로채널 반응기는 하나 이상의 프로세스 마이크로채널 내로 반응물의 흐름을 제공하는 매니폴드 및 하나 이상의 프로세스 마이크로채널의 외부로 생성물의 흐름 제공하는 매니폴드를 포함할 수 있다. 상기 마이크로채널 반응기는 상기 하나 이상의 프로세스 마이크로채널과 인접하는 및/또는 열 접촉하는 하나 이상의 열교환 채널을 추가로 포함할 수 있다. 상기 열교환 채널은 상기 프로세스 마이크로채널의 유체에 가열 및/또는 냉각을 제공할 수 있다. 상기 열교환 채널은 마이크로채널일 수 있다. 상기 마이크로채널 반응기는 열교환 채널 내로 열교환 유체의 흐름을 제공하는 매니폴드 및 열교환의 외부로 열교환 유체의 흐름을 제공하는 매니폴드를 포함할 수 있다. 연소 반응이 열교환 채널에서 행하여지는 경우에, 상기 마이크로채널 반응기는 배기(배가스) 매니폴드 및 배출구를 포함할 수 있다.
용어 "용접"은 합체(coalescence)에 의해, 재료, 일반적으로 금속 또는 열가소성 재료를 결합하는 가공 공정을 말한다. 이는 용접되도록 때때로 열과 함께 사용되는 압력 혹은 압력 자체에 의해, 가공품(workpiece)을 용융하거나 및/또는 필러 재료를 첨가하여 용융 물질의 풀(pool) (용탕(weld pool))을 형성하고, 이는 냉각되어 강한 결합(joint, 이음부)이 될 수 있다.
용어 "브레이징(brazing)"은 금속-결합(metal-joining) 공정을 말하여, 이에 의해, 필러 재료가 이의 융점보다 높게 가열되고 모세관 현상에 의해 둘 이상의 클로스-피팅(close-fitting) 부분 사이에서 분배된다. 상기 필러 금속은 적절한 분위기, 일반적으로 플럭스로 보호되면서, 이의 융점보다 조금 높게 된다. 상기 필러 금속은 베이스 금속 (습윤(wetting)으로 알려짐) 상에서 흐르고 냉각되어 가공품을 서로 결합시킨다.
용어 "확산 접합(diffusion bonding)"은 금속 부분이 진공 퍼니스에서 인가된 힘에서 서로 유지되고 가열되어, 원자가 각각의 부분에서 다른 부분으로 확산되는 공정을 말한다. 브레이징과 달리 필러 합금이 사용되지 않는다.
용어 "접촉 시간"은 흐름이 횡단하고 표준 조건에서 계산된 프로세스(공정, 방법) 유입구 스트림 유량(flow rate)으로 나눈 반응 촉매를 포함하는 개방 반응기 체적을 말한다. 반응물 섹션 접촉 시간은 디바이스의 반응기 섹션 내의 채널에서의 프로세스(공정) 흐름에 대한 총 체적을 말하여, 상기 채널은 촉매 함유 제 1 패스 및 수반하는 반응물 채널 용적(volume)을 포함하며, 수반하는 반응물 채널 용적은 반응물 채널과 열 접촉되며 표준 조건에서 계산된 프로세스 가스의 채널당 총 유입 유량으로 나눈 동일한 축 위치로 정의된다. 상기 촉매 채널 만의 접촉 시간은 표준 조건에서 계산된 프로세스 가스의 채널당 총 유입 유량(flowrate)으로 나눈 프로세스 촉매를 함유하는 반응물 채널에서 만의 프로세스 흐름용 채널의 총 용량을 말한다. 상기 반응기 코어 접촉 시간은 표준 조건에서 계산된 프로세스 가스의 채널당 총 유입 유량으로 나눈 전열식 열교환 섹션(recuperative heat exchange section) 및 반응기 섹션을 포함하는 반응기에서의 채널 순환(로)(channel circuit)의 채널당 총 체적 흐름(flow volume)을 말한다.
용어 "충분히 균일한 흐름"은 완벽하지는 않지만, 2 보다 많은 채널을 갖는 디바이스의 성능이 같은 채널 디자인 (길이, 폭, 높이 및 촉매 위치)의 단일한 채널 디바이스의 성능의 95% 이내라는 점에서 프로세스의 성능을 실질적으로 저하시키지 않는 불-균일한 흐름의 양을 말한다.
마이크로채널 내의 체적에 대한 용어 "체적(volume)"은 유체가 플로우-스루(flow through) 혹은 플로우 바이(flow by)할 수 있는 마이크로채널 내의 모든 체적을 포함한다. 이 체적은 표면 특징(surface features) 내의 체적을 포함할 수 있으며, 상기 표면 특징은 마이크로채널 내에 위치될 수 있고 플로우-스루 방식(flow-through mammer) 혹은 플로우-바이 방식(flow-by manner)의 유체 흐름에 적합하도록 구성될 수 있다.
다른 채널의 위치에 대한 한 채널의 위치를 지칭하는 경우에, 용어 "인접한"은 벽 또는 벽들이 두 개의 채널을 분리할 정도로 직접적으로 인접함을 의미한다. 상기 두 채널은 공유 벽(common wall)을 가질 수 있다. 상기 공유 벽은 두께가 다양할 수 있다. 그러나 "인접한" 채널은 채널 사이의 열 전달을 간섭하는 개재 채널(intervening channel)에 의해 분리되지 않을 수 있다. 하나의 채널은 단지 다른 채널의 부분에 대하여 다른 채널에 인접될 수 있다.
용어 "열 접촉"은 서로 혹은 서로 인접하여 물리적으로 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있지만, 여전히 서로 열교환하는 2개의 바디(body), 예를 들어, 두 개의 채널을 지칭한다. 다른 바디와 열 접촉하는 하나의 바디는 상기 다른 바디를 가열 혹은 냉각할 수 있다.
용어 "유체"는 가스, 액체, 가스와 액체의 혼합물, 또는 분산된 고체를 함유하는 가스 또는 액체 소적(liquid droplets) 및/또는 기상 버블을 지칭한다. 상기 소적 및 버블은 불규칙하거나 혹은 규칙적인 형태일 수 있으며, 같거나 혹은 다른 크기일 수 있다.
용어 "가스(gas)" 및 "증기(vapor)"는 같은 의미이며, 상호교환적으로 사용될 수 있다.
용어 "체류 시간" 또는 "평균 체류 시간"은 사용되는 평균 온도 및 압력에서 공간에서의 유체 흐름에 의해 차지되는 채널 내의 공간의 내부 체적을 공간에서의 유체 흐름에 대한 평균 체적 유량(flow rate)으로 나눈 것을 의미한다.
용어 "표면 특징(부)"은 채널 내에서의 흐름을 방해하는 채널 벽 및/또는 내부 채널 구조의 함몰(depression) 혹은 돌출(projection)을 말한다.
용어 "모세관 특징(부)"은 상기 흐름이 층류 영역(laminar flow regime)인 경우에, 상기 채널 내에서 흐름을 방해하지 않는 채널 벽 및/또는 내부 채널 구조의 함몰(depression) 혹은 돌출(projection)을 말한다. 예를 들어, 모세관 특징은 상기 흐름 방향에 대하여 실질적으로 수직인 벽에서 함몰일 수 있다. 모세관 특징은 크로스 해치(cross hatch)이거나 혹은 표면을 거칠게 하여 제조될 수 있는 것과 같은 다른 불-균일한 형태일 수 있다. 일반적으로, 흐름은 모세관 특징에서 실질적으로 침체 (흐르지 않음)일 수 있으며, 이 침체 흐름 영역은 촉매가 상기 모세관 특징에 인접한 빠르게 움직이는 흐름 스트림 내에 다시 분산되기 전에, 반응물이 상기 촉매와 연속적으로 접촉되도록 하는 안전한 하버(harbor)를 형성함으로써, 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
용어 "벌크 흐름 방향"은 유체가 채널의 개방 경로(open path)를 통해서 이동할 수 있는 벡터(vector)를 말한다.
용어 "벌크 흐름 영역(bulk flow region)"은 채널(예를 들어, 프로세스 마이크로채널) 내의 개방 영역을 말한다. 근접한 벌크 흐름 영역은 현저한 압력 강하 없이, 채널을 통한 유체의 빠른 흐름을 가능하게 할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 벌크 흐름 영역에서의 흐름은 층유(laminar)일 수 있다. 벌크 흐름 영역은 적어도 약 5%의 마이크로채널의 단면적 및/또는 내부 체적을 포함하며, 일 실시형태에서, 약 5% 내지 100%, 그리고 일 실시형태에서, 약 5% 내지 약 99% 그리고 일 실시형태에서, 약 5% 내지 약 95% 그리고 일 실시형태에서, 약 5% 내지 약 90% 그리고 일 실시형태에서, 약 30% 내지 약 80%의 마이크로채널의 단면적 및/또는 내부 체적을 포함한다.
채널 (예를 들어, 프로세스 마이크로채널)의 용어는 "단면 영역(corss-sectional area)"은 채널에서 유체의 벌크 흐름 방향에 대하여 수직인 측정된 영역을 지칭하며, 존재할 수 있는 어떠한 표면 특징을 포함하는 채널 내의 모든 영역은 포함할 수 있으나, 채널 벽은 포함하지 않는다. 채널의 길이를 따라 구부러진 채널에 대하여, 단면 영역은 채널의 길이에 평행하고 채널의 중심 (영역으로)에 있는 라인을 따라 선택된 지점에서의 벌크 흐름 방향에 대하여 수직으로 측정될 수 있다. 높이 및 폭의 치수는 하나의 내부 채널 벽으로부터 맞은편의 내부 채널 벽으로 측정될 수 있다. 이들 치수는 표면 특징(surface features), 표면 거칠기(surface roughness) 등에 의한 변형으로 인한 평균값일 수 있다.
용어 "공정(프로세스) 유체(process fluid)"는 유입되어 프로세스 마이크로채널 내로 및/또는 외부로 내로 흐르는, 반응물, 생성물, 희석제 및/또는 다른 유체를 지칭한다.
용어 "반응물"은 화학반응에 사용될 수 있는 반응물이다. SMR 반응에서, 상기 반응물은 증기 및 메탄을 포함할 수 있다. 연소 반응에서, 상기 반응물은 연료(예를 들어, 수소, 탄화수소, 예컨대 메탄 등) 및 공기와 같은 산소 공급원을 포함할 수 있다.
용어 "반응 영역"은 화학 반응이 일어나거나 혹은 적어도 일 종류의 화학 전환이 일어나는 마이크로채널 내의 공간을 말한다. 상기 반응 영역은 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다.
용어 "열교환 채널"은 그 내부에 열을 발생하거나 및/또는 열을 흡수하는, 열교환 유체를 갖는 채널을 말한다. 상기 열교환 채널은 인접한 채널 및/또는 상기 열교환 채널과 열 접촉하는 하나 이상의 채널로부터 열을 흡수하거나 또는 인접한 채널(예를 들어, 프로세스 마이크로채널) 및/또는 상기 열교환 채널과 열접촉하는 하나 이상의 채널로부터 열을 방출할 수 있다. 열교환 채널은 상기 채널로부터 열을 흡수하거나 혹은 상기 채널로 열을 방출할 수 있으며, 상기 채널은 서로 인접하지만 상기 열교환 채널에는 인접하지 않는다. 일 실시형태에서, 하나, 둘, 셋 이상의 채널은 서로 인접할 수 있으며, 두 개의 열교환 채널 사이에 위치될 수 있다.
용어 "열전달 벽(heat transfer wall)"은 프로세스 마이크로채널 및 열이 하나의 채널로부터 상기 공유 벽을 통해 다른 채널로 전달되는 인접한 열교환 채널 사이의 공유 벽(common wall)을 지칭한다.
용어 "열교환 유체는" 열을 발생(제공)하거나 및/또는 열을 흡수하는 유체를 지칭한다.
용어 "반응물의 전환"은 마이크로채널 반응기 내로의 유체 흐름과 마이크로채널 반응기 외부로의 유체 흐름 사이의 반응물의 몰 변화를 마이크로채널 반응기 내로의 유체 흐름에서의 반응물의 몰(mole)로 나눈 것을 지칭한다.
용어 "mm"는 밀리미터를 지칭할 수 있다. 용어 "nm"는 나노미터를 지칭할 수 있다. 용어 "ms"는 밀리초(millisecond)를 지칭할 수 있다. 용어 "㎛"는 마이크로초(microsecond)를 지칭할 수 있다. 용어 "㎛"는 미크론 혹은 마이크로미터를 지칭할 수 있다. 용어 "미크론" 및 "마이크로미터"는 동일한 의미를 가지며 상호교환적으로 사용할 수 있다. 용어 m/s는 1초당 미터를 지칭할 수 있다. 용어는 "kg"은 킬로그램을 지칭한다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 압력은 절대 압력으로 표현된다.
본 발명의 장치는 하나 이상의 프로세스 층 및 하나 이상의 열교환 층을 포함할 수 있다. 장치는 어떠한 단위 조작(unit operation)을 행하는데 사용될 수 있다. 상기 단위 조작은 상기 장치의 프로세스 층에서 행하여질 수 있으며, 가열 또는 냉각은 열교환 층에 의해서 제공될 수 있다. 하나 보다 많은 프로세스 층 및 하나 보다 많은 열교환 층을 사용하는 경우에, 이들은 교대로 정렬될 수 있거나 혹은 둘 이상의 프로세스 층 및/또는 둘 이상의 열교환 층은 서로 인접하여 배치될 수 있다.
하나 이상의 프로세스 층에서 수행될 수 있는 단위 조작은 화학 반응, 증발, 압축, 화학 분리, 증류, 응축, 혼합, 가열, 냉각 또는 이의 2 종 이상 조합을 포함할 수 있다.
상기 화학 반응은 어떠한 화학 반응을 포함할 수 있다. 상기 화학 반응은 메탄올 합성 반응, 디메틸 에테르 합성 반응, 암모니아 합성 반응, 수성 가스 전환 반응(water gas shift reaction), 아세틸화 첨가 반응, 알킬화, 디알킬화(dealkylation), 하이드로디알킬화(hydrodealkylation), 환원성 알킬화, 아미노화(amination), 방향족화, 아릴화, 자기열 개질법(autothermal reforming), 카르보닐화, 디카르보닐화(decarbonylation), 환원성 카르보닐화(reductive carbonylation), 카르복시화(carboxylation), 환원성 카르복시화, 환원성 커플링, 축합, 분해(cracking), 수소화분해(hydrocracking), 고리화(cyclization), 시클로올리고머화(cyclooligomerization), 디할로겐화, 이합체화, 에폭시화, 에스테르화, 피셔-트롭쉬 반응, 할로겐화, 하이드로할로겐화(hydrohalogenation), 호몰로게이션(homologation), 수화, 탈수, 수소화, 탈수소화, 하이드로카르복시화(hydrocarboxylation), 하이드로포밀화(hydroformylation), 가수소분해(hydrogenolysis), 하이드로메탈레이션(hydrometallation), 하이드로실릴화(hydrosilation), 가수분해(hydrolysis), 수소처리(hydrotreating), 이성질체화, 메틸화(methylation), 디메틸화(demethylation), 복분해(metathesis), 니트로화(nitration), 산화(oxidation), 부분 산화(partial oxidation), 중합체화, 환원, 개질(reformation), 역 수성 가스 전환(reverse water gas shift), 술폰화, 텔로메리제이션(telomerization), 트랜스에스테르화(transesterification), 트리머화(trimerization), Sabatier 반응, 이산화탄소 개질, 선택 산화(preferential oxidation), 부분 산화(partial oxidation), 또는 선택 메탄화(preferential methanation) 반응을 포함할 수 있다. 상기 화학 반응은 SMR 반응을 포함할 수 있다. 상기 화학 반응은 에틸렌, 스티렌, 포름알데히드 및/또는 부타디엔 등을 제조하는 공정을 포함할 수 있다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참고하여, 본 발명의 장치는 플레이트의 적층(100)을 포함할 수 있다. 적층(100)은 마이크로 프로세서의 코어 어셈블리로 사용될 수 있다. 적층(100)은 하나 이상의 프로세스 층 및 서로 인접하거나 혹은 서로 열 접촉되는 하나 이상의 열교환 층을 포함할 수 있다. 적층(100)은 프로세스 층 및 상기 프로세스 층에 인접하거나 혹은 프로세스 층에 열 접촉되는 상응하는 열교환 층을 예를 들어, 1 내지 약 1,000, 또는 1 내지 약 500, 또는 1 내지 약 200, 또는 1 내지 약(100), 또는 1 내지 약 50, 또는 1 내지 약 30, 또는 1 내지 약 20 개를 포함할 수 있다. 적층(100)은 상기 플레이트의 주변부 가장자리 에지에 의해 형성된 측면(side)(101, 102, 103 및 104)을 포함할 수 있다. 각각의 측면(101, 102, 103 및 104)에서 각각의 각 플레이트의 주변 에지는 다음의 인접한 플레이트의 주변부 가장자리에 용접될 수 있다. 이러한 방식으로, 적층(100)은 용접에 의해 형성된 각각의 측면(101, 102, 103 및 104)에 주위 밀봉을 포함할 수 있다. 용접은 적층(100)에 대한 구조적 일체성을 제공하도록 또한 사용될 수 있다.
적층(100)은 프로세스 및 열교환 유체의 흐름을 촉진하도록 수직으로 배열되고 나란히 위치된 플레이트로 배향될 수 있다. 또한, 상기 적층(100)은 상기 플레이트가 수평으로 배향되도록 혹은 수평에 대하여 비스듬히 배향되도록 배열될 수 있다. 적층(100)은 이의 측면 매니폴드(150, 160, 170 및 180)에 용접될 수 있다. 이들 매니폴드는 적층(100) 내로의 반응물의 흐름, 적층(100) 외부로의 생성물의 흐름 그리고 상기 적층 내로 그리고 외부로의 열교환 유체의 흐름을 제공하도록 사용될 수 있다. 연소 반응이 열교환 층에서 행하여지는 경우에, 2개의 매니폴드는 적층(100)의 내부로 연료와 공기의 흐름을 제공하도록 사용될 수 있다. 또한, 연소 반응이 열교환 층에서 행하여지는 경우에, 배기 배출구(190)는 배가스를 제거하기 위해 적층(100)의 상단(top)에 용접될 수 있다.
적층의 측면에 용접된 매니폴드(150, 160, 170 및 180) 및 적층의 상단에 용접된 배기 배출구(190)가 구비된 적층(100)을 마이크로채널 프로세서(192)라고 할 수 있다. 도 4 및 5를 참고하여, 마이크로채널 프로세서(192)는 격납 용기(193)에 위치될 수 있다. 격납 용기(193)는 상단 헤드(top head)(194), 봉쇄 섹션(195), 지지 레그(support legs)(196), 억제 가스 유입구(197), 온도 제어 포트(198) 및 봉쇄 섹션(195)의 하부에 있는 드레인 포트 (도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 유입구와 배출구 배관(151, 161, 171 및 181)은 해당 매니폴드(150, 160, 170, 180)로부터 신장하고 상단 헤드(194)로부터 돌출된다. 마찬가지로, 배기 배출구 개구부(191)은 상단 헤드(194)를 통해 배기 배출구(190)로부터 신장된다. 격납 용기(193)는 이의 내부 및/또는 외부 표면에 적합한 절연을 포함할 수 있으며, 원하는 최종 용도에 구조적 일체성(integrity)을 제공할 수 있는 어떠한 재료로 제조될 수 있다. 이들 재료로는: 스틸(예를 들어, 스테인레스 스틸, 카본 스틸 등); 알루미늄; 티타늄; 니켈; 백금; 로듐; 구리; 크롬; 상기 금속 중 어떠한 것을 포함하는 합금; 모넬; 인코넬; 황동; 폴리머 (예를 들어, 열경화성 수지); 세라믹; 유리; 일종 이상의 폴리머 (예를 들어, 열경화성 수지)와 유리 섬유를 포함하는 복합재; 석영; 실리콘; 혹은 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 격납 용기는 카본 스틸로 제조될 수 있으며 260℃에서 450 psig로 평가될 수 있다. 격납 용기(193)의 외경(OD)은 의도하는 용도에 대한 어떠한 원하는 치수일 수 있다. 예를 들어, SMR 반응기의 경우, 격납 용기의 OD는 약 30 인치 (76.2 cm)이거나 혹은 약 32 인치 (81.3 cm) 또는 약 36 인치 (91 .4 cm)일 수 있다. 격납 용기의 높이는 약 24 인치 내지 약 200 인치 (약 61 cm 내지 약 508 cm) 또는 약 48 인치 내지 약 72 인치 (약 122 cm 내지 약 183 cm) 혹은 약 60 인치 (약 152 cm)일 수 있다.
격납 용기는 격납 용기 내의 압력을 적어도 적층 내의 내부 압력 정도로 높은 수준으로 유지하기 위해 제어 메카니즘을 포함할 수 있다. 격납 용기 내의 압력을 유지하기 위한 제어 메카니즘은 체크 밸브 및/또는 압력 조절기를 포함할 수 있다. 체크 밸브 또는 조절기는 격납 용기에 대한 어떠한 원하는 내부 압력, 예를 들어, 400 psig (2.76 MPa의)에서 작동하도록 프로그래밍될 수 있다. 이들 중 하나 또는 둘 모두가 격납 용기의 압력이 적어도 적층 내의 내부 압력 정도로 높은 수준으로 확실하게 유지될 수 있도록, 배관, 밸브, 제어기 등의 시스템과 함께 사용될 수 있다. 이는 부분적으로는 상기 적층의 밀봉에 사용된 주위 용접을 보호하기 위해 행하여진다. 해당하는 적층 내의 내부 압력의 감소 없이, 격납 용기 내의 현저한 압력감소는 주위 용접의 파열을 초래하며 이는 비용을 수반한다. 제어 메카니즘은 억제 가스에 의해 가해지는 압력이 감소되는 경우에, 하나 이상의 공정 가스가 격납 용기내로 전환되도록 설계될 수 있다.
다른 실시형태에서, 외골격이 적층(100)의 구조적 지지를 제공하도록 사용될 수 있다. 이는 도 32에 나타낸다. 외골격은 적층의 말단 플레이트의 주요 외부면과 밀접하게 접촉되어 유지되는 보강 부재의 배열을 포함할 수 있다. 보강 부재의 배열은 이들이 적층 방향(즉, 플레이트의 면에 대한 직각 방향)으로의 굽힘에 대하여 저항성이 있도록 될 수 있다. 외골격은 상기 적층에 용접될 수 있다. 또한, 상기 외골격은 브레이징(brazing), 접착(gluing) 혹은 다른 수단으로 상기 적층에 부탁될 수 있다.
외골격이 구비된, 용접된 보강 부재는 굽힘 응력(bending stress)에 대한 증가된 강도(stiffness)를 제공하도록 하중 적용 방향에 대하여 평행한 더 긴 측면으로 배향된 장방형 단면을 가질 수 있다. 이는 더 얇은 플레이트의 사용을 가능하게 하며, 동일한 하중을 지지하기 위해 필요한 재료의 무게 및 비용을 감소시킨다.
외골격은 클램프보다 우수할 수 있다. 클램프는 장소에 볼트로 고정되거나 또는 퀵 릴리스 메카니즘(quick release mechanism)으로 제조되면, 외골격보다 쉽게 제거될 수 있다. 외골격은 제거하기 위해서는 전형적으로 절단 또는 연삭이 필요하다. 조임 나사가 구비된 두꺼운 플레이트를 갖는 클램프가 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 클램프용 플레이트는 조임 나사가 이 방향으로 끼워질 수 없음으로, 굽힘 응력에 충분한 강할 필요가 있다. 상기 조임 나사는 상기 플레이트에 작용하는 압력에 의해 생성된 힘에 의해 야기되는 완전 인장 응력(full tension stress)에 대하여 충분히 강할 필요가 있다. 반면에, 외골격은 두 경우 모두에 플레이트에 추가적인 지지를 제공한다.
적층(100)은 하나 또는 다수의 반복 단위를 포함할 수 있으며, 각각의 반복 단위는 같고, 각각 하나 이상의 프로세스 층 및 하나 이상의 열교환 층을 포함한다. 예를 들어, 반복 단위는 1 내지 약 100, 또는 1 내지 약 20, 또는 1 내지 약 10, 또는 1 내지 약 5, 또는 1 내지 약 3, 또는 약 2의 프로세스 층; 및 1 내지 약 100, 또는 1 내지 약 20, 또는 1 내지 약 10, 또는 1 내지 약 5, 또는 1 내지 약 3, 또는 약 2의 열교환 층을 포함할 수 있다.
상기 반복 단위는 수평으로 정렬될 수 있으며, 하나가 다른 것의 위에 적층될 수 있으며, 수직으로 정렬되고, 그리고 나란히 위치될 수 있거나 혹은 이들은 거나, 이들은 수평에 대하여 비스듬하게 정렬될 수 있다. 각각의 반복 단위 내에서, 상기 프로세스 층 및 열교환 층은 프로세스 층이 열교환 층에 인접하고, 열교환 층은 다른 프로세스 층에 인접하고, 프로세스 층은 다른 열교환 층에 인접하는 등의 순서로 교대로 정렬될 수 있다. 또한, 그 대신 둘 이상의 프로세스 층 및/또는 둘 이상의 열교환 층이 서로 인접하여 배치될 수 있다.
도 6에서, 적층(100)이 SMR 반응을 행하는데 사용되도록 구성되는 경우에, 프로세스 층은 반응물 층, 생성물 층 및 상기 반응물 층에서 상기 생성물 층으로 유체가 흐르도록 하는 상기 반응물 층의 말단과 생성물 층의 말단에 위치된 프로세스 U-턴을 포함할 수 있다. 상기 반응물 층은 상기 생성물 층에 인접하여 배치할 수 있다. 프로세스 층에서, 상기 반응물은 촉매와 접촉하여 생성물을 형성하도록 반응하고, 그 후, 상기 생성물은 생성물 층의 외부로 흐른다. 상기 열교환 층은 연료 층, 연료 층에 인접하여 위치되는 공기 층, 상기 연료 층과 상기 공기 층 사이에 위치되는 열교환 벽, 공기가 상기 공기 층으로부터 상기 연료 층으로 흐르도록 하는 상기 열교환 벽의 다수의 개구부(구멍, openings), 혹은 제트(jets), 상기 연료 층에 위치되는 연소 촉매, 배기 층(exhaust layer), 및 배가스(exhaust)가 연료 층에서 배기 층으로 흐르도록 하는 상기 연료 층의 말단과 상기 배기 층의 말단에 위치되는 열교환 U-턴을 포함할 수 있다.
적층(100)이 SMR 반응기로 사용되도록 구성되는 경우에, 도 7 및 8에 나타낸 반복 단위(110)는 상기 적층을 구성하는데 사용될 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 반복 단위(110)는 서로 인접하여 위치하는 2개의 열교환 층 및 열교환 층의 각각의 측면에 위치하는 SMR 프로세스 층을 포함한다. 반복 단위(110)는 도 8에 도시한 바와 같이 10개의 플레이트를 포함하며, 이들은 설명을 위해 각각 분리되어 있으나, 실제로 상기 플레이트는 서로 접촉되어 사용된다. 각각의 플레이트의 주변 에지는 상기 적층의 주변 밀봉을 제공하도록 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접될 수 있다. 반복 단위(110)은 플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)을 포함한다. 각각의 플레이트의 각각의 측면은 이의 표면에 형성된 마이크로채널, 내부 매니폴드, 모세관 특징 및/또는 표면 특징을 포함할 수 있으며; 각각의 플레이트는 2개의 SMR 프로세스 층 및 2개의 연소 층의 특징을 제공하도록 상기 플레이트를 통해 돌출하는 슬롯, 혹은 개구부 혹은 u-턴 및/또는 공기 개구부 또는 제트(jets)를 포함할 수 있다. 각각의 플레이트는 와이어 방전 가공(wire electrodischarge machining), 통상의 기계가공, 레이져 절단, 광화학 가공, 전기화학 가공, 스탬핑, 에칭 (예를 들어, 화학, 광화학 또는 플라즈마 에칭) 및 이들의 조합을 포함하는 공지의 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)의 정렬에 대한 다음의 설명에서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 각각의 플레이트의 상부면(top surface) 및 하부면(bottom surface)이 참고된다. 상기에 나타낸 바와 같이, 상기 적층(100)에 위치되어 SMR 반응에 사용되는 경우에, 플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)는 도 8에 나타낸 바와 같이 수평 정렬이 아니라, 수직으로 정렬될 수 있다.
도 8을 참고하여, 플레이트(200)는 상부면(201) 및 하부면(202)을 갖는다. 플레이트(210)는 상부면(211) 및 하부면(212)을 갖는다. 플레이트(220)는 상부면(221) 및 하부면(222)을 갖는다. 플레이트(230)는 상부면(231) 및 하부면(232)을 갖는다. 플레이트(240)는 상부면(241) 및 하부면(242)을 갖는다. 플레이트(250)는 상부면(251) 및 하부면(252)을 갖는다. 플레이트(260)는 상부면(261) 및 하부면(262)을 갖는다. 플레이트(270)는 상부면(271) 및 하부면(272)을 갖는다. 플레이트(280)는 상부면(281) 및 하부면(282)을 갖는다. 플레이트(290)는 상부면(291) 및 하부면(292)을 갖는다. 작동시, 화살표(310 및 311)로 나타낸 바와 같이, SMR 반응 생성물은 오른쪽에서 왼쪽으로 흐른다 (도 8에 도시된 바와 같이). 화살표(300 및 301)로 나타낸 바와 같이, SMR 프로세스용 반응물은 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 연료는 화살표(320 및 321)로 나타낸 방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 공기는 화살표(330 및 331)로 나타낸 방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 각각의 경우에, 공기 층과 열교환 층을 분리하는 벽은 공기가 상기 공기 층으로 부터 상기 연료 층 내로 흐르고, 연료와 합하여져서 연료-공기 혼합물을 형성하고 그 후에, 연소되도록 개구부 또는 제트 (332 또는 333)를 포함한다. 연소 반응으로부터의 배가스는 화살표(340 및 341)로 나타낸 바와 같이, 오른쪽에서 왼쪽으로 흐른다. SMR 촉매 층(350, 351, 352 및 353)은 SMR 반응에 대하여 촉매작용을 하도록 제공된다. 연소 촉매 층(360 및 361)은 연소 반응에 대하여 촉매작용을 하도록 제공된다.
전체 높이는 약 0.1 내지 약 5 인치 (약 0.254 내지 약 12.7 cm), 또는 약 0.5 내지 약 3 인치 (약 1 .27 내지 약 7.62 cm), 또는 약 0.75 내지 약 2.5 인치(약 1.91 내지 약 6.35 cm), 또는 약 1 내지 약 1.5 인치 (약 2.54 내지 약 3.81 cm), 또는 약 1.25 인치 (3.175 cm)일 수 있다. 상기 적층(100)의 전체 높이는 약 1 내지 약 50 인치 (약 2.54 내지 약 127 cm), 또는 약 3 내지 약 24 인치 (약 7.62 내지 약 60.96 cm), 또는 약 7 내지 약 15 인치 (약 17.78 내지 약 38.1 cm), 또는 약 10.125 인치 (25.72 cm)일 수 있다. 한가지 예외로, 플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290) 각각은 반응물, 생성물, 연료, 공기 및 배가스의 흐름을 제공하도록 상기 플레이트를 통하여 돌출하는 슬롯 또는 u-턴 개구부 혹은 제트 또는 개구부 및/또는 플레이트의 표면에 형성된 표면 특징, 모세관 특징, 내부 매니폴드 및/또는 마이크로채널을 갖는다. 한가지 예외는 플레이트(200)가 적층(100)에 대한 말단 플레이트로 사용될 수 있음으로, 플레이트(200)의 상단(201)은 비어있다. 설명에서 사용된 용어, "공기," "공기 층", "공기 채널" 등은 연소 층에서 행하여지는 연소 반응에서의 구성 요소로서의 공기를 지칭하는데 사용된다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 연소 반응은 공기에 대한 교체물로서, 순수한 산소, 산소가 풍부한 공기 또는 산소와 불활성 가스를 포함하는 기상 혼합물과 같은 산소 공급원을 사용할 수 있다. 따라서, 공기 층, 공기 채널 등이 본 발명에 의한 장치의 구조에 대하여 언급되는 경우에, 상기한 어떠한 교체물이 공기를 대신할 수 있는 것으로 이해된다.
각 마이크로채널의 깊이는 약 0.05 내지 약 10 mm, 또는 약 0.05 내지 약 5 mm, 또는 약 0.05 내지 약 2 mm, 또는 약 0.1 내지 약 2 mm, 또는 약 0.5 내지 약 2 mm,또는 약 0.5 내지 약 1.5 mm, 또는 약 0.08 내지 약 1.2 mm 범위일 수 있다. 각 마이크로채널의 폭은 최고 약 10 cm, 또는 약 0.1 내지 약 10 cm, 또는 약 0.5 내지약 10 cm, 또는 약 0.5 내지 약 5 cm일 수 있다.
내부 매니폴드는 마이크로채널의 내부로 혹은 외부로 질량 유량(mass flow)의 균일한 분배를 제공하도록 사용될 수 있다. 각각의 내부 매니폴드는 약 2 내지 약 1000개의 마이크로채널, 또는 2 내지 약 100개의 마이크로채널, 또는 약 2 내지 약 50개의 마이크로채널, 또는 약 2 내지 약 10개, 또는 2 내지 약 6개, 또는 약 4개의 마이크로채널의 내부로 혹은 외부로 유체의 흐름을 제공하도록 사용될 수 있다. 각각의 매니폴드의 깊이는 매니폴드에 연결된 마이크로채널의 깊이에 해당할 수 있다. 각각의 매니폴드의 폭은 마이크로채널의 내부로 혹은 외부로 원하는 유체 저항성을 제공하도록, 매니폴드에 연결된 마이크로채널의 합하여진 폭에, 또는 합하여진 폭의 약 1 내지 99% 또는 약 1 내지 약 90%에 해당할 수 있다. 마이크로채널 사이의 질량 유량 분배의 균일성은 아래에 나타낸 Quality Index Factor (Q-팩터(factor))로 정의될 수 있다. 0%의 Q-팩터는 완전하게 균일한 분포를 의미한다.
Figure 112013043620609-pct00001
상기 식에서, "m"은 질량 유량(mass flow)이다. 단면적의 변화로 벽에의 전단 응력(shear stress)이 달라질 수 있다. 일 실시형태에서, 본 발명에 의한 마이크로채널 프로세서에 대한 Q-팩터는 약 50% 미만 또는 약 20% 미만 또는 약 5% 미만 또는 약 1% 미만일 수 있다.
표면 특징 및/또는 모세관 특징은 하나 이상의 플레이트 표면으로부터의 함몰 및/또는 돌출을 포함할 수 있다. 표면 특징은 원형, 구형, 반구형, 절두체(frustums), 오블롱형(oblongs), 정방형(squares), 장방형(rectangles), 직사각형(angled rectangles), 체크(checks), 세브론(chevrons), 날개(vanes), 에어 포일(air foils), 물결 형태 등의 형태일 수 있다. 상기한 것의 둘 이상의 조합이 사용될 수 있다. 상기 표면 특징은 표면 특징의 주 벽(major wall)이 노취(notches), 물결, 인덴트(indents), 홀(holes), 버(burrs), 체크, 스칼롭(scallops), 등의 형태를 취할 수 있는 더 작은 표면 특징을 추가로 함유하는 서브 특징을 함유할 수 있다. 상기 표면 특징은 수동적 표면 특징(passive surface features) 또는 수동적 혼합 특징(passive mixing featrues)으로 지칭될 수 있다. 상기 표면 특징은 흐름을 방해(예를 들어, 층류 스트림 라인을 방해)하고 벌크 흐름 방향에 대하여 비스듬하게 이류 흐름(advective flow)을 형성하도록 사용될 수 있다. 각 표면 특징의 깊이 또는 높이는 약 0.05 내지 약 5 mm, 또는 약 0.1 내지 약 5 mm, 또는 약 0.1 내지 약 3 mm, 또는 약 0.1 내지 약 2 mm, 또는 약 0.4 내지 약 2 mm, 또는 약 0.5 내지 약 1 .5 mm, 또는 약 0.08 내지 약 1.2 mm의 범위일 수 있다.
열교환 층에서, 공기 채널을 연료 채널로부터 분리하는 플레이트는 공기 채널로부터 연료 채널로 공기 흐름을 제공하도록 개구부 또는 제트(332 또는 333)을 포함할 수 있다. 이들 개구부 또는 제트는 약 0.1 내지 약 10 mm, 또는 약 0.1 내지 약 5 mm, 또는 약 0.1 내지 약 2.5 mm, 또는 약 0.25 내지 약 1.25 mm, 또는 약 0.25 내지 약 0.75 mm 범위, 또는 약 0.015 인치 (0.381 mm)의 평균 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 약 2 내지 약 5, 또는 2 내지 약 4, 또는 약 3의 다수의 개구부 혹은 제트가 흐름 분배를 제어하고 공기 채널로 화염의 확산을 방지하기 위해 각 위치에서 병렬로 제공될 수 있다. 또한, 제트는 반응 채널의 길이를 따라 축 방향으로 또는 측방향으로(laterally) 오프셋(offset)될 수 있다. 사용될 수 있는 개구부 혹은 제트의 수는 약 0.1 내지 약 12개의 개구부 또는 제트/cm2, 또는 약 0.1 내지 약 5의 개구부 또는 제트/cm2의 범위일 수 있다.
다수의 플레이트는 일 플레이트 표면에서 다른 플레이트 표면으로의 유체 흐름이 가능하도록 u-턴 개구부 혹은 슬롯을 포함한다. u-턴 개구부 혹은 슬롯의 각각의 간격(gap) 또는 폭은 약 0.25 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 내지 약 2.5 mm, 또는 약 0.04 인치 (1.02 mm)의 범위일 수 있다.
각각의 플레이트는 이의 각각의 측면에 주변 에지 및 각각의 주변 에지에 인접한 가장자리(border)를 갖는다. 각각의 가장자리는 약 1 내지 약 100 mm, 또는 약 1 내지 약 75 mm, 또는 약 5 내지 약 50 mm, 또는 약 10 내지 약 30 mm 범위의 두께를 가질 수 있다.
플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)는 원하는 최종 용도에서 사용하고자 하는 온도 및 압력에서 작동할 수 있도록 요구되는 구조적 일체성을 갖는 어떠한 금속 혹은 금속 합금으로 제조될 수 있다. 상기 금속 혹은 금속 합금으로는 스틸(예를 들어, 스테인레스 스틸, 카본 스틸 등), 알루미늄; 티타늄; 니켈; 백금; 로듐; 구리; 크롬; 상기 금속 중 어떠한 것을 포함하는 합금; 모넬; 인코넬; 황동; 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 후술하는 인코넬(617)이 사용될 수 있다.
플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)의 각각의 상단과 하단은 각각 도 9-18에 도시된다. 도 9를 참고하여, 플레이트(200)는 상단면(top surface)(201)을 가지며, 이는 적층(100)의 말단 플레이트의 외면으로 사용할 수 있음으로 비어있다. 하단면(bottom surface)(202)은 내부 매니폴드(203)를 포함하며, 이는 화살표(310)로 나타낸 바와 같이, SMR 반응으로부터 적층(100)의 외부로 생성물의 흐름을 제공하도록 사용될 수 있다. 플레이트 표면(201 및 202)인 플레이트(200)의 각각의 측면은 가장자리(208)를 갖는다. 플레이트(200)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(209)을 포함한다. 적층(100) 또는 반복 단위(110)의 형성시, 주변 에지(209) 각각은 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(209)를 넘어서 플레이트(200)의 적어도 표면(202)의 가장자리(208)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(209)로부터 밀링, 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(208)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(210)는 도 10에 도시된다. 상단면(211)은 마이크로채널(213) 및 내부 매니폴드(213A)를 포함하며, 이는 화살표(310)로 나타낸 방향으로, SMR 반응으로부터의 생성물 흐름을 제공하도록 사용될 수 있다. 마이크로채널(213)은 표면 특징(214)을 포함하며, 이는 상기 프로세스 마이크로채널(213)을 통해 흐르는 생성물 흐름을 방해하도록 사용할 수 있다. 하단면(212)은 마이크로채널(215) 및 내부 매니폴드(216)를 포함하며, 이는 화살표(300)로 나타낸 방향으로, SMR 반응물의 흐름을 제공하도록 사용될 수 있다. 마이크로채널(215)은 반응 영역(217)을 포함하며, 여기에서 SMR 반응용 촉매는 마이크로채널에 코팅된다. 메탄과 수증기의 혼합물을 포함할 수 있는 반응물은 반응 영역(217)을 통해 흘러서, 생성물을 형성하도록 촉매와 접촉하고 반응한다. 생성물은 일산화탄소와 수소의 혼합물을 포함할 수 있다. 플레이트(210)는 프로세스 마이크로채널(213)에 프로세스 마이크로채널(215)의 생성물의 흐름을 제공하기 위해 u-턴 개구(217A)를 포함한다. 플레이트(210)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(211 및 212)은 가장자리(218)를 갖는다. 플레이트(210)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(219)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(219)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(219)를 넘어서 플레이트(210)의 각각의 측면의 가장자리(218)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(219)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(218)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(220)는 도 11에 도시된다. 상단면(221)은 SMR 촉매가 코팅된 프로세스 마이크로채널(223) 및 SMR 반응물의 흐름을 재분배하고 및/또는 채널에 코팅된 촉매를 유지하기 위한 표면 특징(224)을 포함한다. 하단면(222)은 연소 촉매가 코팅된 마이크로채널(225) 및 연료의 흐름을 재분배하고 및/또는 채널에 코팅된 촉매를 유지하기 위한, 표면 특징 또는 모세관 특징(226)을 포함한다. 플레이트(220)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(221 및 222)은 가장자리(228)를 갖는다. 플레이트(220)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(229)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(229)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(229)를 넘어서 플레이트(220)의 각각의 측면의 가장자리(228)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(229)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(228)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(230)는 도 12에 도시된다. 상단면(231)은 마이크로채널(233) 및 내부 매니폴드(234)를 포함하며, 이는 화살표(320)로 나타낸 방향으로, 연료의 흐름을 제공하도록 사용된다. 하단면(232)은 마이크로채널(235) 및 내부 매니폴드(236)를 포함하며, 이는 화살표(330)로 나타낸 방향으로, 공기의 흐름을 제공하도록 사용된다. 상기 플레이트는 상기 플레이트를 통해 마이크로채널(235)로부터 마이크로채널(233)로 공기의 흐름을 제공하도록 개구부 또는 제트(332)를 포함하며, 마이크로채널(233)에서 공기가 연료와 합하여져서 연료-공기 혼합물을 형성한다. 상기 플레이트(230)는 상기 마이크로채널(233)로부터의 배가스 흐름에 대한 u-턴을 제공하는 개구부 또는 슬롯(237)을 포함한다. 플레이트(230)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(231 및 232)은 가장자리(238)를 갖는다. 플레이트(230)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(239)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(239)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(239)를 넘어서 플레이트(210)의 각각의 측면의 가장자리(238)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(239)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(238)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(240)는 도 13에 도시된다. 상단면(241)은 내부 매니폴드(243)를 포함하며, 이는 화살표(330)로 나타낸 방향으로, 공기의 흐름을 제공하도록 사용된다. 상단면(241)은 또한 표면 특징(244)을 포함할 수 있으며, 이는 공기의 흐름을 재분배하도록 제공된다. 하단면(242)은 마이크로채널(245)을 포함하며, 이는 화살표(340)로 나타낸 방향으로, 배가스의 흐름을 제공하도록 사용된다. 상기 플레이트(240)는 배가스의 흐름을 플레이트(230)의 마이크로채널(233)로부터 플레이트(250)의 마이크로채널(253)로 u-턴하도록 하는 개구부 또는 슬롯(246)을 포함한다. 플레이트(240)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(241 및 242)은 가장자리(248)를 갖는다. 플레이트(240)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(249)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(249)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(249)를 넘어서 플레이트(240)의 각각의 측면의 가장자리(248)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(249)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(248)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(250)는 도 14에 도시된다. 상단면(251)은 마이크로채널(253)을 포함하며, 이는 화살표(340)로 나타낸 방향으로, 배가스의 흐름을 제공하도록 사용된다. 하단면(252)은 마이크로채널(254)을 포함하며, 이는 화살표(341)로 나타낸 방향으로, 배가스의 흐름을 제공하도록 사용된다. 플레이트(250)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(251 및 252)은 가장자리(258)를 갖는다. 플레이트(250)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(259)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(259)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(259)를 넘어서 플레이트(250)의 각각의 측면의 가장자리(258)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(259)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(258)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(260)는 도 15에 도시된다. 상단면(261)은 마이크로채널(263)을 포함하며, 이는 화살표(341)로 나타낸 방향으로, 배가스의 흐름을 제공하도록 사용된다. 하단면(262)은 내부 매니폴드(263)를 포함하며, 이는 화살표(331)로 나타낸 방향으로, 배가스의 흐름을 제공하도록 사용된다. 하단면(262)은 또한 표면 특징(265)을 포함할 수 있으며, 이는 공기의 흐름을 재분배하도록 제공된다. 상기 플레이트(260)는 배가스의 흐름을 플레이트(280)의 마이크로채널(283)로부터 플레이트(250)의 마이크로채널(254)로 u-턴하도록 하는 개구부 또는 슬롯(266)을 포함한다. 플레이트(260)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(261 및 262)은 가장자리(268)를 갖는다. 플레이트(260)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(269)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(269)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(269)를 넘어서 플레이트(250)의 각각의 측면의 가장자리(268)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(269)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(268)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(270)는 도 16에 도시된다. 상단면(271)은 마이크로채널(273)을 포함하며, 이는 화살표(331)로 나타낸 방향으로, 공기의 흐름을 제공하도록 사용된다. 하단면(272)은 마이크로채널(275) 및 내부 매니폴드(276)를 포함하며, 이는 화살표(221)로 나타낸 방향으로, 연료의 흐름을 제공하도록 사용된다. 상기 플레이트는 공기의 흐름을 플레이트(270)를 통해서 마이크로채널(273)로부터 마이크로채널(275)로 제공하는 개구부 또는 제트(333)를 포함하며, 마이크로채널(275)에서, 공기는 연료와 합하여져서 연료-공기 혼합물을 형성할 수 있다. 플레이트(270)는 개구부 혹은 슬롯(277)을 포함하며, 이는 마이크로채널(275)로부터의 배가스의 흐름이 u-턴 되도록 한다. 플레이트(270)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(271 및 272)은 가장자리(278)를 갖는다. 플레이트(270)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(279)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(279)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(279)를 넘어서 플레이트(270)의 각각의 측면의 가장자리(278)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(279)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(278)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(280)는 도 17에 도시된다. 상단면(281)은 연소 촉매가 코팅된 마이크로채널(283) 및 연료의 흐름을 재분배하는 표면 특징(284)을 포함한다. 하단면(282)은 SMR 촉매가 코팅된 마이크로채널(285) 및 SMR 반응물의 흐름을 재분배하는 표면 특징(286)을 포함한다. 플레이트(280)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(281 및 282)은 가장자리(288)를 갖는다. 플레이트(280)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(289)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(289)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(289)를 넘어서 플레이트(280)의 각각의 측면의 가장자리(288)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(289)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(288)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
플레이트(290)는 도 18에 도시된다. 상단면(291)은 마이크로채널(293) 및 내부 매니폴드(293A)를 포함하며, 이는 화살표(301)로 나타낸 방향으로, SMR 반응물의 흐름을 제공하도록 사용된다. 하단면(292)은 마이크로채널(294) 및 내부 매니폴드(295)를 포함하며, 이는 화살표(311)로 나타낸 방향으로, SMR 생성물의 흐름을 제공하도록 사용된다. 마이크로채널(294)은 표면 특징(296)을 포함하며, 이는 프로세스 마이크로채널(294)을 통해 흐르는 생성물 흐름을 방해하도록 사용될 수 있다. 마이크로채널(293)은 반응 영역(297)을 포함하며, 여기에서 SMR 반응용 촉매는 마이크로채널에 코팅된다. 메탄과 수증기의 혼합물을 포함할 수 있는 반응물은 반응 영역(297)을 통해 흘러서, 생성물을 형성하도록 촉매와 접촉하고 반응한다. 생성물은 일산화탄소와 수소의 혼합물을 포함할 수 있다. 플레이트(290)는 프로세스 마이크로채널(294)에 프로세스 마이크로채널(297)로부터의 생성물의 흐름을 제공하기 위해 u-턴 개구(297A)를 포함한다. 플레이트(290)의 각각의 측면, 즉, 플레이트 표면(291 및 292)은 가장자리(298)를 갖는다. 플레이트(290)는 플레이트의 네 측면의 각각에 주변 에지(299)를 포함한다. 적층(100), 또는 반복 단위(110) 형성시, 각각의 주변 에지(299)는 여기에 적용된 용접 재료를 갖는다. 용접 재료가 적용되는 경우에, 이는 일반적으로 주변 에지(299)를 넘어서 플레이트(290)의 각각의 측면의 가장자리(298)의 일부와 접촉하여 침투할 것이다. 개조 도중, 용접 재료는 예를 들어, 주변 에지(299)로부터 밀링(milling), 그라인딩 및/또는 절단으로 제거될 수 있으며, 그 결과, 가장자리(298)의 일부가 또한 제거될 수 있다.
SMR 촉매 층(350, 351, 352 및/또는 353), 및/또는 연소 촉매 층(360 및/또는 361)은 상기 마이크로채널의 내부 벽에 직접 와시코트(washcoat)될 수 있거나 혹은 용액으로부터 벽에서 성장될 수 있다. 상기 촉매 층은 코팅을 단지 원하는 위치에만, 예를 들어, 흐름 채널 및 실질적으로 대상 흐름 경로가 아닌 플레이트 사이의 계면 영역의 외부에만 코팅이 유지되도록 마스크를 사용하여 마이크로채널의 벽에 선택적으로 코팅될 수 있다. 본 발명의 이점은 플레이트를 적층하기 전에, 촉매 층이 플레이트에 적용될 수 있다는 것이다. 각 촉매의 단면적은 마이크로채널의 단면적의 약 1 내지 약 99% 혹은 약 10 내지 약 95%를 차지할 수 있다. 촉매 층은 BET로 측정한, 약 0.5 ㎡/g 보다 큰, 또는 약 2 ㎡/g 보다 큰 표면적을 가질 수 있다. 상기 촉매는 어떠한 표면적을 가질 수 있으며, 약 10 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g 또는 약 20 ㎡/g 내지 200 ㎡/g 범위인 것이 특히 이롭다.
촉매 층은 계면 층(interfacial layer) 및 그 위에 디포지트되고 상기 계면 층과 혼합되는 촉매 재료를 포함할 수 있다. 버퍼 층은 상기 마이크로채널 표면과 계면 층 사이에 위치될 수 있다. 상기 버퍼 층은 상기 마이크로채널 표면상에서 성장되거나 혹은 디포지트될 수 있다. 상기 버퍼 층은 상기 계면 층과 다른 조성 및/또는 밀도일 수 있다. 버퍼 층은 금속 옥사이드 또는 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 버퍼 층은 Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. Al2O3은 α-Al2O3, γ-Al2O3 또는 이의 조합일 수 있다. 버퍼 층이 마이크로채널에 대한 계면 층의 접착을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 계면 층은 니트라이드, 카바이드, 설파이드, 할라이드, 금속 옥사이드, 탄소, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 계면 층은 높은 표면적을 제공하고 및/또는 지지되는 촉매에서 요구되는 촉매-지지 상호작용을 제공할 수 있다. 계면 층은 촉매 지지체로서 사용될 수 있는 어떠한 물질로 구성될 수 있다. 계면 층은 금속 옥사이드로 구성될 수 있다. 사용될 수 있는 금속 옥사이드의 예는 γ-Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2, 텅스텐 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 바나듐 옥사이드, 크롬 옥사이드, 망간 옥사이드, 철 옥사이드, 니켈 옥사이드, 코발트 옥사이드, 구리 옥사이드, 아연 옥사이드, 몰리브덴 옥사이드, 주석 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 란탄 시리즈 옥사이드(들), 지올라이트(들) 및 이의 조합물을 포함한다. 계면 층은 이에 디포지트된 임의의 추가적인 촉매 활성 재료 없이 촉매 활성 층으로 작용할 수 있다. 계면 층은 촉매 활성 재료 또는 층과 함께 사용될 수 있다. 계면 층은 또한 둘 이상 조성이 다른 서브층(sublayers)으로 형성될 수 있다. 계면 층 두께는 약 0.5 내지 약 100㎛, 또는 약 1 내지 약 50㎛ 범위일 수 있다. 촉매 물질이 상기 계면 층에 디포지트될 수 있다. 또한, 상기 촉매 물질이 계면 층 상에 및/또는 내에 밀접하게 분산될 수 있다. 촉매 물질은 상기 계면 층상에 "분산되거나" 혹은 "디포지트"될 수 있으며, 이는 마이크로스코픽 촉매 입자가 계면 층 표면에, 계면 층의 갈라진 틈에 및/또는 계면 층의 개방 공극(open pores)에 분산된다는 통상적인 이해를 포함한다.
또한, SMR 촉매 층(350, 351, 352 및/또는 353), 및/또는 연소 촉매 층(360 및/또는 361)은 각각 미립자 고체의 고정 베드(fixed bed)를 포함할 수 있다. 중앙값(median) 입자 직경은 약 1 내지 약 1000 ㎛ 또는 약 10 내지 약 500 ㎛ 범위일 수 있다.
SMR 촉매 층(350, 351, 352 및/또는 353), 및/또는 연소 층(360 및 361)은 촉매 입자를 유지하기 위한 포움(foam)을 포함할 수 있다. 촉매 층은 그라파이트 포움, 실리콘 카바이드, 금속 (예를 들어, Fe, Cr, Al 및 Y를 포함하는 합금인 Fecralloy), 세라믹, 및/또는 높은 열 전도성 코팅용 그래핌(grapheme)의 내부 코팅을 포함하는 코팅된 포움을 포함할 수 있다.
SMR 및/또는 연소 촉매는 포움(foams), 펠트(felts), 뭉치(wad), 이의 조합과 같은 다공성 지지 구조에 지지될 수 있다. 용어 "폼"는 구조를 통해 혹은 구조의 길이를 따라 위치되어 있는 공극(pore)을 포함하는 연속 벽을 가진 구조로 지칭하는 것으로 본원에서 사용된다. 상기 공극은 연속 벽의 표면상에 있을 수 있으며, 촉매 물질 (예를 들어, 촉매 금속 입자)을 포움 구조의 벽에 부착시키도록 사용될 수 있다. 용어 "펠트"는 사이의 간극 공간을 갖는 섬유 구조로 지칭하는 것으로 본원에서 사용된다. 용어 "뭉치(wad)"는 스틸 울(steel wool)과 같은 엉킨 스트랜드의 구조를 가지는 구조로 지칭하는 것으로 본원에서 사용된다. 촉매는 하나 이상의 핀 또는 마이크로그루브 지지(microgrooved support)를 포함하는 핀 구조, 하니콤 구조 혹은 모노리스 상에 지지될 수 있다.
SMR 촉매 층(350, 351, 352 및/또는 353), 및/또는 연소 층(360 및 361)은 등급화된 촉매를 포함할 수 있다. 등급화된 촉매는 촉매 활성 부위의 다른 회전율(turnover)을 가질 수 있다. 등급화된 촉매는 층에서의 반응 경로 혹은 위치에 따른 거리의 함수로서 달라지는 물리적 특성 및/또는 형태를 가질 수 있다.
적층(100) 또는 반복 단위(110)는 원하는 순서대로 플레이트 다른 플레이트 위에 하나씩 적층하여 어셈블될 수 있다. 그 후, 적층은 플레이트가 접촉되고 플레이트 사이의 공간을 감소시키도록 압축될 수 있다. 압축은 볼트 어셈블리로 하중을 적용하는 클램프 기구를 사용하여 혹은 적층에 하중을 적용하기 위한 외부 프레스를 사용하여 적용될 수 있다. 그 후, 플레이트는 각각의 플레이트의 주변 에지를 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접하여 서로 결합될 수 있다. 이는 적층의 네개의 측면에 각각 행하여질 수 있다. 이 방식에서, 주변 밀봉이 상기 적층에 제공될수 있다. 용접이 완료된 후에 고정 기구 또는 외부 프레스(press)는 제거될 수 있다. 각 용접의 두께는 최고 약 10 mm, 또는 약 0.25 내지 약 10 mm 범위, 또는 약 0.25 내지 약 8 mm 범위, 또는 약 0.25 내지 약 6.5 mm 범위, 또는 약 0.25 내지 약 5 mm 범위, 또는 약 0.5 내지 약 3 mm 범위, 또는 약 0.75 내지 약 3 mm 범위, 또는 약 1 내지 약 2 mm 범위, 또는 약 1 내지 약 1.5 mm, 또는 약 1.27 mm 범위일 수 있다. 가능한 한 많은 수의 개조(보수)가 가능하도록 상기 용접은 가능한 한 얇은 것이 이롭다. 용접 와이어 형태일 수 있는 용접 재료는 어떠한 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 상기 용접 재료로는 스틸(예를 들어, 스테인레스 스틸, 카본 스틸 등); 알루미늄; 티타늄; 니켈; 백금; 로듐; 구리; 크롬; 상기 금속 중 어떠한 것을 포함하는 합금; 모넬; 인코넬; 황동; 혹은 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 용접 재료 및 플레이트는 동일한 금속 혹은 금속 합금; 또는 다른 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다. 플레이트 및 용접 재료는 인코넬 617을 포함할 수 있으며, 이는 후술한다. 용접 기술은 텅스텐 불활성 가스 용접, 금속 불활성 가스 용접, 전자빔 용접, 레이져 용접, 및 등을 포함할 수 있다. 레이져 용접이 특히 유리할 수 있다.
이 제조 방법의 장점은 확산 접합(diffusion bonding) 및/또는 블레이징을 필요로 할 수 있는 표면 처리 요구사항이 제거될 수 있다는 것이다. 표면은 품질 확산 접합(quality diffusion bond) 및/또는 블레이즈에 대하여 매우 깨끗하고 평평해야 한다. 브레이징 및/또는 접합 단계의 제거는 확산 접합 및/또는 블레이징에 필요한, 어셈블된 적층을 고온으로 가열할 필요를 제거한다. 과도한 변형율 및 결과물의 변형 없이 접합(bonding) 또는 블레이징하기 위해 적층을 가열 및 냉각하는데 시간이 필요한 것과 마찬가지로, 브레이징 및/또는 접합하기 위해 적층을 가열 및 냉각하는데 필요한 에너지가 현저할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에서, 접합 및/또는 블레이징 단계의 사용이 제거될 수 있으며, 따라서 그 결과 마이크로채널 프로세서는 적은 비용과 적은 시간으로 고품질로 제조될 수 있다.
마이크로채널 프로세서는 가압 격납 용기에서 적층(100)을 제거하고 적층에서 용접된 매니폴드를 제거하여 개조될 수 있다. 그 후, 상기 적층(100)은 플레이트의 주변 에지에서 용접을 제거하는 단계; 플레이트를 분리하는 단계; 플레이트의 결함을 수정하는 단계; 플레이트의 적층을 리포밍하는 단계(reforming): 및 상기 적층에 새로운 주위 밀봉을 제공하도록 각각의 플레이트의 주변 에지를 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접하는 단계에 의해 개조될 수 있다. 용접 재료는 밀링과 같은 어떠한 종래 기술을 사용하여 제거될 수 있다. 적층(100)이 하나 이상의 촉매를 포함하는 경우에, 상기 촉매는 상기 적층의 리포밍 전에 교체 및/또는 재생될 수 있다. 보수될 수 없는 각각의 플레이트는 교체될 수 있다.
주변 용접의 침투를 제한하도록 적층을 어셈블리하는 경우에, 각 플레이트의 주변 에지에 비교적 얇은 용접을 사용하는 것이 바람직하다. 주변 용접의 침투를 제한함으로써, 각 플레이트의 가장자리가 플레이트가 더 이상 기능하지 않을 정도로 감소되기 전에, 플레이트(200, 201, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)에는 다수의 개조 절차가 적용될 수 있다. 예를 들어, 각 플레이트의 가장자리는 약 15 mm의 두께를 가질 수 있으며, 가장자리의 1.5 mm가 각각의 개조 도중에 밀링으로 없어지면, 상기 플레이트는 폐기되기 전에 10회 개조될 수 있다.
다른 실시형태에서, 하나 이상의 플레이트(200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및/또는 290)는 동일한 플레이트에서 하나의 마이크로채널로부터 다른 마이크로채널로의 유체의 흐름이 방지되도록 내부 용접을 포함할 수 있다. 내부 용접은 레이져 용접 기계를 사용하여 적용될 수 있다. 용접 기계는 각각의 플레이트에서 원하는 마이크로채널 벽을 따르도록, 프로그램되거나, 자동화되거나 또는 반-자동화될 수 있으며, 플레이트는 주변 용접의 적용 전에 내부 용접될 수 있다. 플레이트와 동일한 재료로 제조된 용접 와이어가 사용될 수 있다.
SMR 반응에서, 다음의 화학 반응식에 따라, 메탄과 증기(steam)가 촉매 존재하에 반응하여 일산화탄소와 수소의 혼합물을 형성한다:
CH4 + H2O → CO + 3H2
반응 혼합물은 또한, 수소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 반응에 의해 형성된 생성물은 합성 가스 또는 syn 가스로 지칭될 수 있다. SMR 반응은 가열을 필요로 하는 흡열 반응이다. 반응에 필요한 열은 열교환 층에서 행하여지는 연소 반응에 의해 공급될 수 있다. 연소 반응은 연료와 산소 또는 산소 공급원의 반응을 포함할 수 있다. 연료는 수소, 메탄, 탄화수소 연료 (예를 들어, 디젤 연료, 연료유(fuel oil), 바이오 디젤 등), 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 산소 공급원은 산소, 공기, 산소가 풍부한 공기 또는 산소와 불활성 가스 (예를 들어, 헬륨, 아르곤 등)을 포함하는 기체 혼합물을 포함할 수 있다.
SMR 촉매는 임의의 SMR 촉매를 포함할 수 있다. SMR 촉매에 대한 활성 촉매 물질 또는 원소는 Ni, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 활성 촉매 물질 또는 금속은 Al2O3, MgO, MgAl2O4, CeO2, SiO2, ZrO2, TiO2, 또는 이들의 2종 이상의 조합에 의해 지지될 수 있다.
연소 촉매는 임의의 연소 촉매를 포함할 수 있다. 활성 촉매 물질 또는 원소는 Pt, Rh, Pd, Co, Cu, Mn, Fe, Ni; 이들 금속 중 임의의 것의 산화물, 페로브스카이트(perovskites) 및/또는 알루미네이트를 포함할 수 있다. 연소 촉매는 Ce, Tb 또는 Pr, 이들의 산화물 또는 이들 중 2 이상의 조합과 같은 활성-향상 프로포터(activity-enhancing promoter)를 수반할 수 있다. 상기 연소 활성 촉매 물질 또는 원소는 어떠한 적합한 지지체에 의해 지지될 수 있다. 지지체는 Al2O3, MgO, MgAl2O4, SiO2, ZrO2, TiO2, 또는 이들의 2종 이상의 조합을 포함할 수 있다.
촉매가 마이크로채널에 사용되는 경우에, 마이크로채널은 벌크 흐름 경로를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 용어는 "벌크 흐름 경로"는 프로세스 마이크로채널 내에서의 개방 경로(open path) (연속 벌크 흐름 영역)를 의미한다. 연속 벌크 흐름 영역은 큰 압력 강하 없이, 마이크로채널을 통한 빠른 유체의 흐름을 가능하게 한다. 일 실시형태에서, 벌크 흐름 영역에 유체의 흐름은 층류(laminar)일 수 있다. 다른 실시형태에서, 벌크 흐름 영역에서 유체의 흐름은 천이 흐름 또는 난류일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 흐름은 흐름 순환로에 둘 이상의 흐름 레짐(regime)이 있으며, 여기서, 상기 흐름 경로의 적어도 일 부분에서의 흐름은 약 2000 내지 약 5000 사이의 레이놀즈 수로 정의되는 천이 흐름 레짐이다. 벌크 흐름 영역은 촉매를 포함하는 마이크로채널의 단면의 약 5% 내지 약 95% 그리고 일 실시형태에서, 약 30% 내지 약 80%일 수 있다.
가열 또는 냉각은 연소 반응이 아닌 다른 방법을 사용하여 열교환 층에 제공될 수 있다. 연소 반응을 사용하는 것이 아닌 것으로, 가열 또는 냉각되는 경우에, 어떠한 유체일 수 있는 열교환 유체가 사용될 수 있다. 상기 유체는 공기, 증기, 액체 상태의 물, 증기, 기체 질소, 불활성 기체를 포함하는 다른 기체, 일산화탄소, 용융 염, 미네랄 오일 등의 오일, 기상 탄화수소, 액체 탄화수소, Dowtherm A 및 Therminol (이들은 Dow-Union Carbide에서 이용가능함)과 같은 열교환 유체 혹은 이들의 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. "Dowtherm" 및 "Therminol"은 상표이다. 열교환 유체는 반응물 및/또는 생성물의 하나 이상의 스트림을 포함할 수 있다.
열교환 채널은 프로세스 채널을 포함할 수 있으며, 여기에서 흡열 프로세스 또는 발열 프로세스가 행하여진다. 이러한 열교환 채널은 마이크로채널일 수 있다. 열교환 채널에서 행하여지는 프로세스는 프로세스 마이크로채널에서 행하여지는 반응에 대하여 반대되는 열성(thermicity)의 화학 반응을 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡열 반응인 SMR 반응은 프로세스 마이크로채널에서 행하여질 수 있으며, 발열 반응 인 연소 반응은 열교환 채널에서 행하여질 수 있다. 열교환 채널에서 행하여질 수 있는 흡열 프로세스의 예로는 탈수 혹은 개질 반응을 포함할 수 있다. 발열 반응은 연소 반응, 다른 발열 산화 반응, 등을 포함할 수 있다. 가열 또는 냉각을 위한 열교환 채널에서의 발열 또는 흡열 반응의 사용은 발열 또는 흡열 반응없이 제공될 수 있는, 대략 한 자리수(an order of magnitude) 이상의 전형적인 열 플럭스(heat flux)를 가능하게 할 수 있는 향상된 가열 또는 냉각 효과를 제공할 수 있다.
열교환 채널을 통해 흐르는 열교환 유체는 부분 또는 전체 상(phase) 변화를 겪을 수 있다. 이러한 상 변화는 대류 냉각에 의해 제공되는 것 이상의 프로세스 마이크로채널에서의 추가적인 열을 제거를 제공할 수 있다. 액체 열교환에서, 유체가 기화되는 경우에, 프로세스 마이크로채널로부터 전달되는 추가적인 열은 열교환 유체에서 필요한 증발 잠열에 기인할 수 있다. 이러한 상 변화의 예는 부분 비등되는 기름 또는 물과 같은 열교환일 수 있다.
열교환 채널에서 열교환 유체에는 약 100℃ 내지 약 800℃ 또는 약 250℃ 내지 약 500℃ 범위의 온도일 수 있다. 프로세스 마이크로채널에서 열교환 유체 및 프로세스 유체의 온도차는 최대 약 50℃, 또는 최대 약 30℃, 또는 최대 약 10℃일 수 있다. 열교환 채널에서 열교환 유체의 체류 시간은 약 1 내지 약 1000 ms, 또는 약 1 내지 약 500 ms 또는 1 내지 약 100 ms 범위일 수 있다. 열교환 채널에 흐르는 열교환 유체의 압력 강하는 최대 약 0.01 MPa/cm 또는 최대 약 10 MPa/cm일 수 있다. 열교환 채널에서 열교환 유체의 흐름은 층류 또는 천이 흐름일 수 있다. 열교환 채널에서 열교환 유체의 흐름에 대한 레이놀즈 수(Reynolds Number)는 최대 약 50,000 또는 최대 10,000, 또는 최대 약 2300, 또는 10 내지 약 2000의 범위 또는 약 10 내지 약 1500의 범위일 수 있다.
반응물은 상기 촉매와 접촉하는 반응 영역에서 최대 약 100000 또는 최대 약 10000 또는 최대 약 100의 레이놀즈 수가 되도록 한다. 레이놀즈 수는 약 200 내지 약 8000 범위일 수 있다.
마이크로채널 프로세서에서 열 교환에 대한 열 플럭스는 마이크로채널 프로세서의 열 전달 벽의 표면적 평방 센티미터당 약 0.01 내지 약 500 watts(W/㎠) 범위 또는 약 0.1 내지 약 350 W/cm2, 또는 약 1 내지 약 250 W/cm2, 또는 약 1 내지 약 100 W/cm2, 또는 약 1 내지 약 50 W/cm2 범위일 수 있다.
마이크로채널에서 반응물과 촉매 (SMR 및 연소 촉매 포함)의 접촉 시간은 약 1 내지 약 2000 밀리초(milliseconds, ms), 또는 1 내지 약 1000 ms, 또는 약 1 내지 약 500 ms, 또는 약 1 내지 약 250 ms, 또는 약 1 내지 약 100 ms, 또는 약 1 내지 약 50 ms, 또는 약 2 내지 약 1000 ms, 또는 약 2 내지 약 500 ms, 또는 약 2 내지 약 250 ms, 또는 약 2 내지 약 100 ms, 또는 약 2 내지 약 50 ms 범위일 수 있다.
마이크로채널에서 유체의 흐름에 대한 가스의 시간당 공간 속도 (GHSV)는 약 500 내지 약 2,000,000 hr-1 범위일 수 있다.
유체가 마이크로채널에서 흐름에 따른 유체의 압력 강하는 마이크로채널에서의 센티미터 길이당 최대 약 1 MPa(MPa/cm), 또는 최대 약 0.1 MPa/cm 또는 최대 약 1 MPa/cm 또는 최대 약 10 MPa/cm 범위일 수 있다.
마이크로채널에서 프로세스 유체는 층류 또는 천이 흐름 또는 난류일 수 있다. 마이크로채널에서 유체의 흐름에 대한 레이놀즈 수는 최대 약 10,000, 또는 최대 5000 또는 최대 약 2500 또는 최대 약 2300 또는 약 100 내지 약 5000의 범위 또는 약 100 내지 약 3500의 범위 또는 약 100 내지 약 2300의 범위일 수 있다.
프로세스 층의 마이크로채널에서 유체 흐름의 겉보기 속도는 적어도 초당 약 10 미터(m/s), 또는 약 10 내지 약 200m/s 범위 또는 약 20 내지 약 150m/s 범위 또는 약 30 내지 약 100m/s 범위 또는 약 50 내지 약 90m/s 범위일 수 있다.
본 발명의 용접 SMR 반응기는 향상된 혹은 증가된 수준의 열 전달의 이점을 제공한다. 반응기의 촉매 섹션에서 단위 접촉 시간당 총 반응은 약 90 내지 약 150 kW/ms 또는 약 110 내지 약 130 kW/ms 범위일 수 있다. 반응기의 반응기 섹션에서 단위 접촉 시간당 총 반응열은 약 55 내지 약 75 kW/ms 또는 약 60 내지 약 70 kW/ms 범위일 수 있다. 반응기의 전체 반응기 코어에서 단위 접촉 시간당 총 반응열은 약 30 내지 약 50 kW/ms 또는 약 30 내지 약 40 kW/ms 범위일 수 있다. 반응기에 대한 단위 압력 강하당 총 반응열은 약 2 내지 약 20 W/Pa 또는 약 2 내지 약 10 W/Pa 또는 약 2 내지 약 5 W/Pa 범위일 수 있다.
실시예 1
도 1-20에 나타낸 타입의 마이크로채널 반응기를 사용한 SMR 공정은 Chemcad를 사용하여 시뮬레이션된다. Chemcad는 Chemstations Deutschland Gmbh에서 이용가능한 공정 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램이다. 반응기는 도 7 및 8에 나타낸 반복 단위(110) 8개를 사용한다. 각각의 반복 단위는 10개의 플레이트를 가지며, 따라서 반복 단위에 의해 총 80개의 플레이트가 제공된다. 81번째의 플레이트가 상기 적층의 하단에서 플레이트(290)의 표면(292)에 합쳐진다. 81개의 플레이트 각각은 29 인치(73.66 cm)의 길이, 10.74인치(27.28 cm)의 폭 및 0.125 인치 (3.175 mm)의 두께를 갖는다. 각 플레이트의 표면적은 2009.4 ㎠이다. 총 적층 높이는 10.125 인치 (25.72cm)이다. 플레이트의 주변 에지는 레이져 용접을 사용하여 함께 용접된다. 각 플레이트의 각 주변 에지는 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접된다. 평균 용접 침투는 1.27 mm이다. 상기 용접의 평균 침투 (1.27 mm)에 대한 각 플레이트의 평균 표면적은 1580 ㎠/mm이다.
각각의 플레이트뿐만 아니라 용접 재료는 니켈, 크롬, 코발트, 몰리브덴 및 알루미늄을 포함하는 금속 합금인 인코넬 617로 제조된다. 인코넬 617은 A-1 Wire Tech에서 이용할 수 있으며, 다음의 조성 및 물성을 갖는다:
화학 조성, 중량%
Ni - 44.5분
Cr - 20.0-24.0
Co - 10.0-15.0
Mo - 8.0-10.0
Al - 0.8-1.5
C - 0.05-0.15
Fe - 3.0 최대
Mn - 1.O 최대
Si - 1.0 최대
S - 0.015 최대
Ti - 0.6 최대
Cu - 0.5 최대
B - 0.006 최대
파열 강도 (1000 h)
MPa
650℃ 320
760℃ 150
870℃ 58
980℃ 25
1095℃ 10
물리 상수 및 열 특성:
밀도: 8.36 mg/㎥
융점 범위: 1330 - 1380℃
비열(specific heat): 419 J/kg·℃
열 전도도: 13.6 W/m·℃
각각의 플레이트에서 마이크로채널은 0.040 인치 (1.016 mm)의 깊이를 갖는다. 각각의 마이크로채널의 폭은 0.160 인치 (4.064 mm)이다. 공기 채널 및 연료 채널 사이의 열교환 벽의 개구 혹은 제트 각각은 0.015 인치 (0.381 mm)의 직경을 갖는다.
640개의 프로세스 마이크로채널이 SMR 반응에 사용되는 경우에, SMR 반응기 용량은 메탄 또는 천연 가스 공급의 약 3500 SLPM이다. 상기 SMR 반응기는 중간 공정 수집이 있는 직렬로 작동되는 하나, 둘 또는 그 이상의 피셔-트롭쉬 반응기에서 사용될 수 있는 합성 가스를 생성하는데 사용될 수 있다. 피셔-트롭쉬 반응기는 합성 연료를 생성하도록 사용될 수 있다. 합성 가스는 수소 대 일산화탄소의 비율을 약 2:1로 감소시키기 위해서, 피셔-트롭쉬 반응기 전에 중간 공정 단위 (예를 들어, 막 또는 다른 단위 조작)을 통해 진행될 수 있다. SMR 반응기에 대한 증기 대 탄소의 비율은 반응기 입구에서 약 2.3:1이다. 증기 대 메탄 비율은 2:1이다. 연소 반응에, 약 15%의 과량의 공기가 사용된다. 약 5% 내지 약 50% 범위의 과량의 공기가 사용될 수 있다. 더 높은 수준의 과량의 공기가 사용될 수 있지만, 이러한 높은 수준의 사용은 사용되지 않은 공기를 예비가열할 필요가 있으므로 덜 효율적일 수 있다. SMR 반응에서 메탄의 전환에 대한 공정 평형은 223.2 psig (1.54 MPa) 압력 및 850℃ 온도에서 76.1%이다. 223.2 psig (1.54 MPa) 및 850℃에서 CO/(CO+CO2)는 68.8%이다. 반응기 코어 압력 강하는 SMR 공정 측면에서 최대 60 psi (0.414 MPa)이며, 연료/공기 측면에 최대 34 psid (0.234 MPa)이다. 반응기의 일반적인 디자인 기준을 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112013043620609-pct00002
* 열 교환/흐름 분배 계면(flow distribution interface)
** 반응/열 교환 계면(heat exchange interface)
실시예 2
4-채널 완전-길이(full-length) SMR 용접 반응기가 제조, 작동, 개조 그리고 후속적으로 작동되었다. 풀 스케일(full scale)에서 상기 반응기는 대략 10회의 개조 사이클로 20-년의 수명이 예상된다. 반응기는 풀 스케일 마이크로채널 SMR의 길이 및 내부 특징을 모사한다. 개조 공정은 매니폴드 제거, 플레이트 분리, 수정(modifying) 및 선택된 수의 플레이트의 세척, 개조된 플레이트에 대한 촉매의 추가 및 재-조립을 포함한다. 반응기 용량 및 반응 성능은 개조 후 반복가능하다.
반응기의 개요는 도 23에 표시된다. 도 23을 참고로, 반응기는 두 개의 층, 즉, 프로세스 층과 연소 층을 갖는다. 프로세스 층은 반응물 및 생성물 채널을 포함한다. 연소 층은 연료, 공기 및 배기 채널을 포함한다. SMR 반응은 반응물 및 생성물 채널에서 행하여진다. 연소 반응은 SMR 반응에 필요한 열을 제공하도록 연료 채널에서 행하여진다.
반응기는 세 부분으로 나누어진다:
1. 열교환기 - 이 부분은 배가스 및 생성물 스트림에서 열을 취하여 연료, 공기 및 반응물 스트림을 예열하기 위한 열로 사용한다.
2. 반응 섹션 - 이 섹션에서, SMR 및 연소 반응기가 작동된다.
3. 유입구 섹션 (도 23에 나타내지 않음) - 이 섹션은 유입구/배출구 연결 및 마이크로채널로의 흐름의 재분배를 제공한다.
열교환기 섹션의 길이는 8 인치 (20.3cm)이다. 반응기 섹션의 길이는 13인치 (33cm)이다. 반응기는 각 타입의 4개의 채널 (반응물, 생성물, 연료, 공기 및 배기 가스)을 갖는다. 각 채널의 폭은 0.16 인치 (4.06 mm)이다. 각 채널의 간극 또는 높이는 0.04 인치 (1.02 mm)이다.
공기는 공기 채널로부터 원형 개구부 또는 제트를 통해 연료 채널로 흐른다. 공기는 연료 채널에서 연료와 혼합되어 연료-공기 혼합물을 형성하며, 연료-공기 혼합물은 연소되어 SMR 반응기에 대한 열을 발생한다. 공기와 연료의 혼합은 제트 섹션에서 행하여지며, 제트 섹션의 길이는 8.5 인치 (21.6 cm)이다. 제트 반응에는, 서로 0.34 인치 (0.86cm)의 간격으로 떨어져서 위치하는 26개의 축 위치가 있으며, 각각의 위치에, 하나 이상의 제트가 위치한다. 각각의 제트는 0.015 인치 (0.381 mm)의 직경을 갖는다. 특정한 축 위치에, 공기 재분배용인 다수의 제트가 있다.
도 24의 개략도는 연료 채널의 0.16 인치 (4.06 mm) 폭을 가로지르는 축 위치에 2 또는 3개의 제트 배열을 나타낸다. 하나의 제트가 있는 축 위치에서, 상기 제트는 연료 채널의 폭의 중심에 위치된다.
도 23에 나타낸 바와 같이, 연소 반응으로부터의 배가스는 U-턴 벤드(bend)를 통해 흘러서 배기 채널에 배가스 흐름으로 유입된다. 배기 스트림(exhaust stream)은 상기 반응기를 떠나기 전에 열교환 섹션에서 연료 및 공기 스트림의 예열에 사용된다.
연소 반응에 의해 생성된 열은 고형 벽을 통해 반응물 및 생성물 채널로 전송되어 SMR 반응을 가열한다. SMR 반응물은 반응물 채널에서 흘러서 촉매 및 연소 반응으로부터의 연소 열 존재하에 반응이 진행되어 합성 가스인 원하는 생성물을 형성한다. 생성물 스트림은 도 23에 나타낸 U-턴을 통해 흐른다. 생성물 스트림은 상기 반응기를 떠나기 전에 열 교환기 섹션에서 반응물 스트림을 예열(pre-heat)한다.
채널 막힘(blockage)의 경우에 필요하면, 흐름이 재분배될 수 있도록, 도 25에 나타낸 바와 같이, 4개의 생성물 채널은 서로 개구 기둥(open pillars)을 사용하여 서로 연결된다. 채널 막힘은 코우킹(coking), 촉매 디라미네이션 혹은 미립자 유입의 결과로 일어날 수 있다.
모세관 특징을 도 23에 나타낸다. 이들 특징은 얕은 그루브(grooves) 형태이다. 상기 그루브는 약 10 내지 약 500 미크론, 또는 약 30 내지 약 250 미크론, 또는 약 50 내지 약 100 미크론 범위, 또는 약 80 미크론일 수 있다. 그루브는 지정된 채널의 폭의 일부 또는 전부를 통과할 수 있다. 이 특징은 더 우수한 촉매에 대한 부착을 제공하도록 촉매 채널 벽에 형성된다.
도 23은 반응기 코어의 개요를 제공한다. 도 23에 나타낸 반응기 코어는 서로 적층된 6개의 플레이트를 사용하여 제조된다. 마이크로채널은 상기 플레이트에 형성되며, 상기 플레이트의 어셈블리는 연소 및 SMR 스트림의 유로를 형성한다. 상기 플레이트는 다음과 같이 식별된다:
·플레이트 1: 생성물 또는 P 플레이트
·플레이트 2: 반응물/생성물 또는 RP 플레이트
·플레이트 3: 촉매 또는 Cat 플레이트
·플레이트 4 : 연료/공기 또는 FA 플레이트
·플레이트 5 : 공기/배가스 또는 AE 플레이트
·플레이트 6 : 배기가 또는 E 플레이트
플레이트 2 내지 5는 0.125 인치 (3.18 mm)의 두께를 갖는다. 플레이트 1 및 6은 0.25 인치 (6.35 mm)의 두께를 갖는다.
플레이트 1: P-플레이트
P-플레이트의 개략도는 도 26에 나타낸다. P-플레이트의 전체 크기는 23.32" (59.2 cm) x 1.82" (4.6cm) x 0.25" (6.3mm)이다. 이는 SMR 반응기 코어 적층의 가장 바깥쪽 플레이트이다. 상기 플레이트의 외부면에, 레이블 R, P, A, F 및 E는 반응물 스트림, 생성물 스트림, 공기 스트림, 연료 스트림 및 배기(배가스) 스트림 각각에 대한 유입/배출 매니폴드의 위치를 보여준다. 적층을 향하는 면에서, 크기가 0.16" (4.06 mm) x 1.32" (3.3 cm) x 0.04" (1.016 mm)인 포켓이 생성물 매니폴드 용으로 기계가공된다. 적층을 향하는 면의 둘레(perimeter) (도 26에서, 보기 2)에 용접물을 위한 홈 (0.031" (0.8 mm) x 45°)이 형성된다.
플레이트 2: RP -플레이트
RP-플레이트의 개략도는 도 27에 표시된다. RP-플레이트의 전체 크기(치수)는 23.32" (59.2 cm) x 1.82" (4.6cm) x 0.125" (3.1mm)이다. 이는 P-플레이트와 cat-플레이트 사이에 위치된다. P-플레이트에 인접한 면에는 (도 27에 나타낸, 보기 1로 나타냄), 4개의 생성물 채널이 기계가공된다. 상기 생성물 채널 사이의 벽은 유체 연통하도록 연결된다. 이들은 절단된 립(파손된 립, broken ribs)으로 지칭된다. 절단된 립의 치수는 도 27에 나타낸다. 생성물 채널의 깊이는 0.04" (1.016mm)이다. 절단된 립 영역의 총 길이는 21.5" (54.6cm)이다.
Cat-플레이트를 향하는 RP 플레이트의 다른 면은 도 7의 보기 2에 나타낸 바와 같이 반응물 채널을 갖는다. 도 27에 나타낸 바와 같이, 반응물 유입 매니폴드에 연결된 4개의 반응물 채널이 있다. 네 개의 반응물 채널 및 반응물 매니폴드의 폭 및 깊이는 각각 0.16" (4.06 mm) 및 0.04" (1.016 mm)이다. 네 개의 반응물 채널은 0.06" (1.52 mm) 폭의 립에 의해 분리된다. 상기 플레이트의 반응기 섹션에, 모세관 특징이 기계가공된다. 모세관 특징 섹션의 길이는 13" (33cm)이다. 이는 도 27에 나타낸다. SMR 촉매는 모세관 특징 및 상기 반응물 채널을 분리하는 립의 측면 벽에 적용된다. 상기 플레이트의 둘레에는 용접물을 위한 홈 (0.031" (0.79 mm) x 45°)이 형성된다.
치수가 0.82" (2.08 cm) x 0.1" (2.54 mm)인 스루우 슬롯(through slot)은 연소 배가스가 배가스 채널로 흐르도록 가공된다.
플레이트 3: Cat 플레이트
cat-플레이트의 개략도는 도 28에 나타낸다. cat 플레이트의 전체 크기는 23.32 " (59.2 cm) x 1.82" (4.6 cm) x 0.125" (3.1 mm)이다. 상기 플레이트는 RP 플레이트와 FA 플레이트 사이에 위치된다. RP 플레이트를 향하는 면에, 모세관 특징이 도 28의 보기 1에 나타낸 바와 같이 기계가공된다. SMR 촉매가 적용되는 영역은 도 27의 RP 플레이트 상의 모세관 특징 영역과 겹쳐진다. SMR 촉매는 모세관 특징에 적용된다.
FA 플레이트를 향하는 cat-플레이트의 측면은 또한 모세관 특징을 갖는다. 상기 영역에서의 모세관 특징은 도 28의 보기 2에 나타낸 바와 같이, 상기 플레이트의 다른 측면 (RP-플레이트를 향하는)의 모세관 특징을 복제한다. 크기가 0.82" (2.08 cm) x 0.3" (7.6 cm) x 0.02" (0.51 mm)인 포켓이 모세관 특징으로부터 0.25" (6.35 cm) 떨어져서 기계가공된다. 모든 플레이트의 어셈블리 후에, 상기 포켓은 작동 불안전을 야기할 수 있는 연료의 백 버닝(back burning)을 방지한다.
반응기 작동 도중에 온도를 측정하기 위해 상기 플레이트의 21 축 위치에서 플레이트의 두께 방향으로 홀(hole)이 드릴(drill)된다. 이들 홀은 직경이 0.034" (0.86 mm) 그리고 깊이가 0.91" (2.31 cm)이다.
플레이트의 둘레에 용접물을 위한 홈(0.031" (0.78 mm) x 45°)이 형성된다.
플레이트 4: FA -플레이트
FA-플레이트의 개략도는 도 29에 나타낸다. FA-플레이트의 전체 크기는 23.32" (59.2 cm) x 1.82" (4.6 cm) x 0.125" (3.1 mm)이다. 상기 플레이트는 Cat-플레이트와 AE 플레이트 사이에 위치된다.
Cat-플레이트를 향하는 측면에, 연료 매니폴드에 연결된 4개의 연료 채널이 기계가공된다. 연료 매니폴드뿐만 아니라 연료 채널의 폭은 0.16" (4.06mm)이고 매니폴드 및 채널의 깊이는 0.04" (1.016mm)이다. 연료 매니폴드의 길이는 1.32" (3.4cm)이다. 연료 채널의 연속성은 연료 매니폴드에 가장 가까운 플레이트의 짧은 에지로부터 9.27" (23.5cm) 떨어진 지점에서 단절된다(도 29에 나타냄). 연료 채널의 불연속성은 연료의 백 버닝을 방지하기 위해 Cat-플레이트의 포켓 특징과 겹쳐진다.
플레이트의 다른 측면 (AE 플레이트를 향하는 면)에, 공기 매니폴드에 연결된 4개의 공기 채널이 기계가공된다. 매니폴드뿐만 아니라 채널의 치수 (폭 및 깊이)는 상기 연료 채널 및 매니폴드의 치수와 같다.
연료 및 공기 채널은 제트에 의해 서로 연결된다. 이들 제트의 위치는 도 29에 나타낸다. 각 제트의 직경은 0.015" (0.38 mm)이다. 26개의 축 제트 위치는 0.34" (8.6 mm) 떨어져서 위치한다. 일부의 축 위치는 다수의 제트를 갖는다. 다양한 축 위치에서의 제트의 수 및 제트의 배열에 대한 정리는 표 3에 나타낸다.
치수가 0.82" (2.1 cm) x 0.04"(1 mm)인 스루우 슬롯은 배가스가 연소 반응으로부터 배가스 채널로 흐르도록 기계가공된다.
상기 플레이트의 둘레에 용접물을 위한 홈(0.031" (0.8 mm) x 45°)이 형성된다.
5. AE -플레이트
AE-플레이트의 개략도를 도 30에 나타낸다. AE 플레이트의 전체 크기는 23.32" (59.2 cm) x 1.82" (4.6 cm) x 0.125" (3.1 mm)이다. 이 플레이트는 FA-플레이트와 E-플레이트 사이에 위치한다.
FA 플레이트를 향하는 AE 플레이트의 측면에, 매니폴드 슬롯 및 10개의 재분배 슬롯이 도 30 (보기 1)에 나타낸 바와 같이 기계가공된다. 모든 슬롯의 폭은 0.16" (4.06 mm)이고 슬롯의 깊이는 0.04" (1.016 mm)이다. AE 플레이트 상의 매니폴드 슬롯은 FA-플레이트 상의 매니폴드 슬롯과 겹쳐져서 매니폴드를 형성한다. 공기 매니폴드 슬롯과 제 1 재분배 슬롯 사이의 간격은 0.16" (4.06 mm)이며, 제 1 재분배 슬롯과 제 2 재분배 슬롯 사이의 간격은 0.16" (4.06 mm)이다. 다른 재분배 슬롯 사이의 간격은 0.06" (1.52 mm)이다.
AE 플레이트의 다른 면 (E-플레이트를 향하는 면)에는, 후술하는 스루우 슬롯을 제외하고는 특징이 없다.
치수가 0.82" (2.08cm) x 0.04" (1.106 mm)인 스루우 슬롯은 연소 배가스가 배가스 채널로 흐르도록 기계 가공된다.
상기 플레이트의 둘레에 용접물을 위한 홈 (0.031" (0.8 mm) x 45°)이 형성된다.
플레이트 6: E-플레이트
E-플레이트의 개략도를 도 31에 나타낸다. E-플레이트의 전체 크기는 23.32" (59.2 cm) x 1.82" (4.6 cm) x 0.25" (6.3 mm)이다. 이는 P-플레이트에서 가장 먼, SMR 반응기 코어 적층에서 가장 바깥쪽의 플레이트이다 . 상기 플레이트의 바깥쪽 면(외측면)의, 레이블 R, P, A, F 및 E는 각각 반응물 스트림, 생성물 스트림, 공기 스트림, 연료 스트림 및 배가스 스트림에 대한 유입/배출 매니폴드의 위치를 나타낸다. 상기 적층을 향하는 면에는, 4개의 배가스 채널이 기계가공된다. 각각의 채널은 0.16" (4.06 mm)폭 및 0.04" (1.016 mm) 깊이이다. 상기 배가스 채널의 길이는 22.78" (57.9 cm)이다.
적층을 향하는 면의 둘레 (도 26의 보기 2)에 용접물을 위한 홈 (0.031" (0.8 mm) x 45°)이 형성된다.
마이크로채널의 일체성에 대한 높은 프로세스 압력을 지지하기 위해, 외골격 형태의 지지체가 반응기 코어 주위에 제공된다. 이는 도 32에 나타내며, 이는 최종 반응기의 개략도이다.
반응기는 0.125 인치 (0.318 cm) 두께의 인코넬 617 플레이트를 사용하여 제조된다. 플레이트와 플레이트에서의 마이크로채널 특징은 통상의 기계를 사용하여 제조된다. 모세관 특징은 레이져 가공, 광화학적 밀링 또는 기계 가공, 금속을 제거하는 다른 방법으로 사용하여 부가될 수 있다. 제트는 레이져 드릴링을 사용하여 가공될 수 있다.
플레이트와 플레이트의 특징을 제조한 후, 플레이트는 부착된 알루미나 스케일을 형성하기 위해, 화학 기상 증착 (CVD) 알루미늄 처리(aluminization) 공정 및 1050℃로의 열 처리를 사용하여 알루미늄 처리된다. 알루미나 스케일 층은 개조를 용이하게 하거나 가능하게 하도록, 작동 도중에 플레이트의 접착을 방지할 수 있다.
열처리 후, 약 30 mg/in2 (4.65 mg/㎠)에서 SMR 촉매 (28% MgO - 72% Al2O3 스피넬(spinel) 지지체 상의 20% Rh)는 프로세스 채널의 양면에 코팅된다. 약 30 mg/in2 (4.65 mg/㎠)으로 적용된 코팅 수준에서 연소 촉매 (란탄 지지체를 구비한 퓸드 Al2O3상의 35 wt% Pt 및 8 wt% Pd)는 스프레이 코팅을 사용하여 제트 충격(impingement) 또는 연료 벽에 코팅된다. 촉매는 용접하기 전에 개방 플레이트에 적용된다. 이 방법은 상기 표면과 코팅된 촉매의 품질 관리에 대한 능력에 대하여 직접 접근을 가능하게 한다. 또한, 직접 접근(direct access)은 사용된 촉매의 스트립(strip) 및 재적용하기 위한 개조가 용이하게 되도록 한다. 상기 개방 플레이트는 프로세스 성능을 맞추거나 혹은 최적화하기 위해, 프로세스 층에서, 또는 프로세스(공정) 플레이트를 가로질러서, 또는 층에서 층으로, 하나 이상의 촉매를 사용할 수 있도록 한다. 상기 촉매는 작동 전에 400℃에서 원위치에서 하소된다.
촉매 (SMR 및 연소)는 반응기 섹션에만 적용된다. SMR 및 연소 촉매의 위치를 보여주는 개략도는 도 33에 나타낸다. SMR 촉매는 모세관 특징뿐만 아니라 RP 플레이트 및 Cat-플레이트에 의해 형성되는 반응물 채널의 측면 벽에 스프레이 코팅이다. 카본 스틸로 제조된 마스크는 촉매 코팅을 용이하게 하는데 사용된다. SMR 촉매 코팅에 사용되는 마스크의 개략도는 도 34에 나타낸다.
연소 촉매는 cat-플레이트 및 FA 플레이트에 의해 형성되는 연료 채널의 모세관 특징에 코팅된다. FA 플레이트의 연료 벽은 촉매로 부분적으로 코팅된다. AE 플레이트 및 E-플레이트로 형성되는 배가스 채널은 연소 촉매로 코팅된다.
플레이트는 반응기 코어를 형성하도록 함께 용접된다. 텅스텐 불활성 가스 용접이 사용된다. 각 플레이트의 주변 에지가 다음의 인접한 플레이트의 주변 에지에 용접되는 경우에, 외부 용접이 사용된다. 용접은 0.03 인치 (0.762 mm) 내지 0.08 인치 (2.032 mm)의 평균 침투를 갖는다. 각각의 플레이트는 272.3 cm의 면적을 갖는다. 따라서, 평균 용접 침투 평균에 대한 평균 표면적의 비율은 134.0 내지 357.4 ㎠/mm이다. 용접 전에, 알루미나이드(aluminide)는 에지로부터 갈아서 제거(ground off)된다. 지지체 립, 매크로-매니폴드 및 튜브 형태의 외골격이 상기 코어에 추가된다.
멀티채널 테스트 디바이스 형태의 반응기는 어셈블리되기 전에 열처리 및 촉매 코팅된 6개의 CVD 알류미늄으로 처리된 플레이트로 구성된다. 상기 개조 공정은 외골격의 제거, 배가스 매니폴드의 제거 및 플레이트의 분리를 포함한다.
개조 도중, 코어는 외골격 지지체에서 제거된다. 다음 단계는 반응물, 생성물, 연료, 공기 및 배가스 매니폴드를 제거하는 것이다. 배기 매니폴드가 마지막으로 제거된다. 처음 네 개의 매니폴드는 0.25 인치 (0.635 cm) 튜브가 먼저 제거되어야 한다. 부품을 정확하게 기계가공 하도록 CAD 입력 혹은 프로그래밍된 로직을 사용하는 컴퓨터 수치 제어 (CNC) 밀링 기계가 각각의 매니폴드의 용접 둘레를 기계가공하는데 사용된다. 이를 위해, 각각의 매니폴드의 용접 둘레는 상기 매니폴드가 상기 디바이스에서 속박되지 않도록 기계가공으로 제거된다. 상기 배가스 매니폴드는 또한, 상기 용접은 기계가공으로 제거된다. 매니폴드가 없는 코어를 갖는 경우에, 플레이트는 둘레 용접의 밀링으로 분리된다. 처음의 밀링 목표는 재료의 40 mils (1.02 mm)의 제거이다. 플레이트는 일부 영역에서 분리되는 것으로 보이지만, 떨어져서 당겨질 수 없다. 재료의 또 다른 20 mils(0.51 mm)이 주위(perimeter)에서 제거된다. 상기 코어는 다시 제자리에 클램프된다. 모든 플레이트가 플라이어(pliers)의 사용으로 떨어져 당겨 수 있습니다. 상기 플레이트를 분리하기 위해 상기 용접이 완전히 제거되도록, 총 60 mils (1.53 mm)의 재료가 기계가공으로 제거된다.
플레이트 분리시, 각각의 플레이트가 검사된다. U-턴은 개조 과정 중에 수정될 수 있다. 장방향 삽입이 원래의 크기를 감소시키도록 U-턴에 추가된다. 이 삽입은 부가적인 표면 준비 또는 처리 없이 그 자리에서 용접된다. 세 개의 연소 면 플레이트 (FA, AE 및 E)이 수정된다.
모든 플레이트는 탈이온 수조에서 그리고 그 후에 아세톤에서 낮은 전력 및 낮은 주파수의 초음파를 사용하여 세척된다. 각각의 단계는 30 분간 행하여진다. 촉매에 대한 디라미네이션 또는 손상이 발생하지 않았다.
촉매는 개조된 제트 주위의 FA 플레이트 부분에 코팅된다. 개조된 수정 레이아웃은 처음의 16개 제트에 적용되며, 여기서 촉매는 16"(4.064 mm) 폭 채널의 외부 에지, 각 면에 코팅된 촉매의 1mm, 그리고 코팅되지 않고 남겨져 있는 중앙의 2mm에 적용된다.
연소 촉매는 상단과 하단 배가스 채널 벽의 상단 및 하단 모두에 코팅된다. 상기 촉매는 4개의 채널의 전체 0.16 "(4.064 mm) 폭에 걸쳐서 코팅된다. 촉매는 채널 사이에 개입되는 립과 벽 사이의 금속 접촉에 대한 금속을 형성하는 영역에 마스크된다.
이 반응기는 상기 개조가 완료된 후에 다시-적층된다. P 플레이트에 약 0.2 인치 (5.08mm)의 일부 보우잉(bowing)이 있다. 이는 적층 후에, 정렬된 위치에서 상기 플레이트를 클램핑함으로써 완화된다. 상기 코어는 주변 용접되고 외골격 지지체는 상기 적층에 용접된다.
반응기는 높은 용량 및 열 플럭스 조건에서 작동된다. 이는 다음의 표 2 및 3에 나타낸다.
Figure 112013043620609-pct00003
Figure 112013043620609-pct00004
Figure 112013043620609-pct00005

몇몇 반응기는 프로세스 업셋(upsets) 후에 시작 및 재시작된다. 이를 표 3에 나타낸다. 시작 2는 다운스트림 피팅(fitting)에서의 압력 강하 후에 시작된다. 셧다운 후에, 스테인리스 스틸 피팅인 상기 피팅은 상기 작동을 다시 시작하기 전에, 인코넬 피팅으로 교체된다. 시작 3은 프로세스 물 유입의 손실 후- 약 2분 동안 SMR에 스팀이 공급되지 않는 경우-에 시작된다. 상기 업셋 동안, 상기 반응기 로드 벽(load wall)에서 기록된 피크 온도는 상기 시스템의 인터로크(interlock) 전에 1065℃로 상승한다. 인터로크에서, 상기 피크 온도는 더 서서히 진행되는 냉각이 시작되기 전 40초에서 약 200℃로 떨어진다. 시작 4는 열 손실을 감소시키기 위해, 몇몇 외부 히드가 부가된 후에 일어난다. 모든 경우에, 상기 반응기 성능은 다시 등가의 목적 성능으로 된다. 상기 결과를 도 36 내지 40에 나타낸다.
더 많은 메탄을 연소 연료에 첨가하여, 상기 반응기를 사용하여 부가적인 시험을 행한다. 메탄은 수소에 비하여 연소가 현저하게 어렵다. 보고된 바와 같이, 조건 1 및 2에서, 연료 중 메탄이 1.5 체적%이다. 연소 연료에서 메탄의 양은 18%로 증가하고 이 범위에서 검출되는 메탄의 방출은 없었다 (1.5%, 3%, 6%, 10%, 및 18%). 검출 한계는 약 100 ppm 메탄이다. 모든 경우에 대한 과량 공기의 명목상 양(nominal amount)은 15%이지만, 일부 시험에는 과량 공기의 양을 낮게 하여 행하여진다. 과량 공기(access air)가 10% 감소되는 경우에, 6% 메탄 연료에서 배출 배가스 온도가 다소 불안정하다. 이 결과를 도 41 내지 44에 나타낸다.
실시예 3
용접된 SMR 반응기에서의 탈 위치 촉매 코팅:
SMR 반응기는 2가지 타입의 촉매를 갖는다: 1) SMR 반응에 에너지를 제공하는 연소 연료용 촉매, 및 2) SMR 반응에 대한 촉매. 상기 촉매는 반응이 일어나는 예비-결정된 위치에서의 마이크로 채널의 벽의 일부에만 우선적으로 코팅된다.
확산 접합(diffusion bonding)을 사용한 SMR 반응기의 제조는 매우 높은 온도에서 심(shim) 및 플레이트의 접합(bonding)을 포함한다 (예를 들어, 약 1000℃ 과잉). 이와 같은 고온으로, 상기 촉매는 높은 온도 결과로, 상기 촉매는 상기 반응기 코어가 확산 접합된 후에만 적용된다. 그러나, 반응기 코어가 확산 접합된 후에, 마이크로채널에 대한 가시적인 접근(access)이 없었으며, 상기 촉매는 충진 및 배출 기술(fill and drain techniques)을 사용하여 마이크로채널의 벽에 적용되며, 이에 따라, 마이크로채널은 촉매 용액 혹은 슬러리가 채워지며 그 후에, 배출(drain)되고 상기 배출은 중력의 도움을 받는다. 이는 원-위치 공정 혹은 처리방법으로 지칭될 수 있다. 이는 또한, 원-위치 와시코팅으로 지칭될 수 있다. 촉매를 마이크로채널 벽에 적용하는 원-위치 처리방법은 다음의 단점을 갖는다:
1. 일반적으로 다수의 충진 및 배출 사이클이 촉매 코팅을 벽에 적용하기 위해 요구되었다.
2. 벽에 적재되는 촉매는 일반적으로 적었다 (4회의 충진 및 배출 사이클 후에 ~ 5 내지 10 mg/in2).
3. 마이크로채널에 대한 가시적인 접근(access)이 없음으로, 상기 방법은 마이크로채널 내부의 촉매 흐름을 제어에 불충분하였다. 촉매를 특정한 축 또는 측면 위치에 선택적으로 적용하기 어려웠다. 또한, 축 불연속 코팅을 형성하는 것이 불가능하며, 따라서, 촉매는 상기 반응 채널 길이의 일부에 첨가되고, 그 후에 촉매가 없는 간헌절 영역, 그 후에 촉매가 있는 제 3 영역으로 된다.
4. 원-위치 와시-코팅은 느린 공정이다. 심지어 하나의 마이크로채널 디바이스가 촉매 코팅에 최고 1 주일을 필요로 한다. 상업적 스케일의 디바이스 ( > 100 kg/hr 프로세스 흐름 유량)에 대한 촉매 코팅은 코팅에 대하여 복잡한 부가적인 매니폴드를 필요로 한다. 도 45는 다수의 마이크로채널을 갖는 SMR 반응기를 코팅하는 개략적인 셋-업을 나타낸다.
5. 촉매는 용액을 더 높은 위치, 특히 디바이스의 모서리 혹은 틈에서 더 높은 위치로 위킹(wicking)하는 모세관력으로 인하여 반응기의 특정한 높이에 쉽게 유지될 수 없다.
6. 촉매를 적용하는 원-위치 방법은 좁은 면적의 코팅에 많은 용량의 촉매가 필요하다. 촉매 용액의 충진 및 배출에 대한 매니폴드 시스템의 사용으로 인하여, 많은 용량의 촉매 용액이 처음에 필요하였다. 그러나, 단지 소량의 상기 촉매만이 상기 반응기에 실제 남아있었다. 상기 반응기에서 배출된 촉매 용액은 그 후에, 제한된 용도를 가지며, 종종 단지 1회 혹은 2회의 사용 후에 폐기 혹은 재순환되었다.
본 발명에 의한 SMR 반응기 제조에 대한 상기 용접 방법은 촉매를 단순하고, 빠르고 정확하게 코팅하는 방법을 가능하게 한다.
상기 용접 방법은 다수의 심(shim)의 고온 확산 접합을 더 적은 플레이트의 용접으로 교체하는데 사용될 수 있다. 용접에 요구되는 고온은 상기 플레이트의 에지에 편재될 수 있으며, 촉매의 적용이 필요한 마이크로채널에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 촉매는 상기 플레이트의 용접 전에 탈-위치(ex-suit)로 적용된다.
촉매를 적용하는 탈-위치 방법에서, 촉매 용액은 에어 제트 내지 에어브러쉬를 사용하는 것과 같은 단순한 방법으로 적용될 수 있다. 마이크로채널에 가시적으로 완전히 접근함으로, 촉매를 필요로 하지 않는 위치는 도 46에 나타낸 바와 같이 쉽게 마스크 오프(mask off)될 수 있다. 또한, 우수한 성능을 달성할 수 있도록, 동일한 마이크로채널 내의 특정한 위치에 다른 촉매가 적용될 수 있다. 상기 코팅의 피복 수준은 촉매 코팅량을 측정하기 위해, 코팅 전 및 후에 기준 시편을 칭량하여 측정될 수 있다.
촉매가 적용된 후에, 플레이트는 SMR 반응기를 제조하기 위해 용접되기 전에 공기 건조될 수 있다. 그 후, SMR 반응기는 약 450℃에서 소성되어 상기 마이크로채널의 벽에 최종 촉매를 형성할 수 있다.
탈-위치 촉매 코팅법은 종래의 원-위치 촉매 코팅법에 비하여 몇몇의 이점을 갖는다. 이로는 다음을 포함할 수 있다:
1. 탈-위치 기술은 원-위치 코팅 기술에 비하여 현저하게 빠르다. 원-위치 촉매 코팅에 일반적으로 약 1주일이 소요되는 반응기는 탈-위치 법을 사용하여 1일 이내에 코팅될 수 있다.
2. 탈-위치 코팅은 촉매가 적용되는, 위치, 타입 및 양을 조절할 수 있다.
3. 탈-위치 코팅법을 사용함으로써, 촉매 적재 수준의 우수한 재현성이 달성될 수 있다.
4. 촉매가 코팅되기 전 혹은 후에, 혹은 촉매를 포함하는 않는 어셈블리의 플레이트에 촉매가 코팅되기 전 혹은 후에 촉매 이외의 코팅이 또한 상기 플레이트에 첨가될 수 있다.
5. 탈-위치 코팅은 적용 위치의 조절이 가능함으로, 준비되어야 하는 촉매 용액의 용량을 감소시키며, 따라서, 촉매 용액의 낭비가 적어진다. 탈-위치법을 사용하여 연소 및 SMR 촉매가 상기 플레이트에 적용된다. 상기 연소 촉매는 Cat-플레이트 (연료 채널을 향함) 및 A-E 플레이트 (배가스 채널)에 적용된다. 상기 프로세스 촉매는 Cat 플레이트 (반응물 채널을 향함) 및 R-P 플레이트 (반응물 채널)에 적용된다.
촉매 적용시, 코팅되는 플레이트에 바람직한 촉매를 포함하는 슬러리가 준비된다. 도 47에 나타낸 마스킹 플레이트가 사용된다. 마스킹 플레이트의 단면을 또한 도 47에 나타낸다. 마스킹 플레이트는 또한 어떠한 경질 혹은 연질 재료로 제조될 수도 있으나, 카본 스틸로 제조된다. 상기 마스크는 멀티채널 반응기의 4개의 프로세스 채널을 코팅하도록 디자인된다. 촉매로 코팅되는 각각의 채널의 단면적은 0.16 x 13 인치 (0.41 x 33.0 cm)이다. 상기 마스킹 플레이트의 바깥 영역은 시공용 테이프(construction tape)로 마스크된다.
촉매 용액은 # 1 노즐 셋 업을 사용하여, 32-35 psi (0.22-0.24 MPa)의 슬러리 분사 압력을 사용하여, Paasche Airbrush Set, 싱글 액션(single-action), 사이펀 공급(siphon-feed), 외부 혼합을 사용하여 적용된다. 도 48은 코팅 후의 마스크 플레이트의 사진을 나타낸다. RP 플레이트에 대한 촉매 적재량은 25 mg/in2 (3.87 mg/cm2)이다.
실시예 4
코팅 또는 층의 추가는 SMR 반응기에 금속 먼지 저항성을 부여한다:
철, 니켈 또는 코발트에 기초한 합금은 일산화탄소 (CO) 가스의 존재하에 금속 먼지 부식에 취약할 수 있다. 금속 먼지 부식에 대한 저항성이 보다 우수한 새로운 금속 합금을 개발하기 위해 노력하여 왔으나, 금속 먼지 부식성에 대하여 면역성 있는 상업적으로 이용가능한 합금은 현재 없다. 금속 먼지 부식으로부터 합금을 보호하기 위해 코팅을 개발할 필요가 있다. 금속 먼지 문제가 어떠한 니켈 또는 철 함유 금속 또는 금속 합금에서 발생할 수 있지만, 본 실시예에서 사용되는 합금은 인코넬 617 (Ni, Cr, Fe, Mo, Al 및 Co를 포함하는 합금)이다.
금속 먼지가 발생할 때, 결과물인 피츠(pits)는 채널의 압력 경계에 의해 없어질 수 있다. 나아가, 상기 피츠는 또한, C(s) 및 CO2가 되는 CO + CO의 Boudouard 반응을 통한 코킹의 시작을 더욱 초래할 수 있다. 코크(coke)가 개시됨에 따라, 이들 일반적으로 섬유상 형태로 연속적으로 성장하여 마이크로채널을 전체적으로 또는 부분적으로 차단(block)할 수 있다. 채널 차단은 멀티 채널 디바이스에서 흐름의 불균형 분배, 성능 감소 및 높은 압력 강하를 초래할 수 있다.
코팅은 CO 등의 가스 분자가 금속 합금의 도달하는 것을 방지하는데 사용될 수 있다. 코팅 자체가 금속 분진이 아닐 수 있으며, 사용 환경과 양립할 수 있다.
상기 코팅은 하나의 층상 코팅을 포함할 수 있다. 코팅 재료는 알루미나와 같은 세라믹을 포함할 수 있다.
코팅은 가스 분자가 합금의 하부에 도달하는 것을 방지하기 위해 핀홀 혹은 마이크로-균열과 같은 결함이 없어야 한다. 코팅은 밀폐될 수 있다. 세라믹은 일반적으로 취성(brittle)이고 균열되는 경향이 있다. 금속은 일반적으로 세라믹보다 연성(ductile)이며, 따라서, 덜 균열되는 경향이 있다. 금속 코팅은, 구리, 크롬, 은, 금, 이들의 2종 이상의 혼합물뿐만 아니라 다른 불활성 금속 또는 귀금속을 포함할 수 있다. 문제는 금속 코팅의 사용과 관련될 수 있다. 한 가지 문제는 금속 코팅과 기재(기판) 합금 사이의 상호-확산(inter-diffusion)이 발생할 수 있다는 것이다. 금속 먼지는 약 450℃ 내지 약 750℃의 온도 범위에서 발생할 수 있다. 이 온도 범위에서, 금속 코팅과 합금 사이의 상호 확산이 예상될 수 있다. 시간의 경과에 따라, Ni, Co 및 Fe이 합금으로부터 코팅으로 확산될 수 있으며, 이는 코팅이 저항성이 적거나 혹은 덜 보호되도록 한다. 코팅 재료의 합금으로의 안쪽으로의 확산은 또한 합금 특성에 바람직하지 않은 변화를 일으킬 수 있다. 또 다른 문제는 핀홀 등의 결함의 코팅의 제조에 관한 것이다. 결함이 없는 코팅을 제조하기 어렵지만, 일반적으로 코팅 두께를 증가시키면 핀홀과 같은 결함의 밀도를 줄일 수 있다.
도 49는 다양한 시간의 기간 동안 금속 먼지 환경에 노출한 후의 구리-코팅된 인코넬 617 시편을 보여준다. 상기 시편은 점차 밝은 구리 외관을 잃지만, 금속 먼지 부식은 발생하지 않는다. 또한, 스트림에서 2,000 시간 후, 측정가능한 중량 변화가 없다. 이는 도 49에 나타낸다. 비교함으로써, 코팅되지 않은 인코넬 617 시편은 1000 시간에서 눈에 띄게 움푹(pit) 들어갔으며, 스트림에서 2400시간에 현저하게 부식된다. 이는 도 50에 나타낸다. 도 50에 나타낸 중량 손실은 부식의 추가적인 증거이다.
863 시간의 노출 후에, 구리-코팅된 시편의 횡단면 분석은 Cu 코팅으로의 Ni 확산을 나타내며, 코팅에서의 미세-균열의 발달을 보여준다. 이는 도 51에 나타낸다. 이는 구리가 단기간 동안 금속 먼지에 대하여 코팅을 보호할 수 있음을 나타낸다.
코팅과 기재 사이의 상호-확산을 방지하기 위해, 확산 장벽이 사용될 수 있다. 금속은 일반적으로 세라믹 통해 확산하지 않음으로, 알루미나 등의 세라믹 코팅은 좋은 장벽일 수 있다.
2-층 코팅 시스템은 금속 먼지 저항에 대하여 단일 층 코팅보다 더 우수하게 작용할 수 있다. 제1 층은 확산 장벽, 예를 들어, 알루미나 코팅층과 같은 세라믹 코팅 층을 포함할 수 있다. 알루미나 코팅층은 기재에 직접 디포지트되거나 알루미늄 함유 금속 합금의 열처리에 의해 열 성장 알루미나 스케일로 형성될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 일부 합금은 알루미나 포머(formers)이다. 이러한 알루미늄 함유 금속 합금의 예로는 인코넬 693 (니켈, 크롬 및 알루미늄을 함유하는 합금) 및 헤인즈(Haynes) 214 (니켈, 크롬, 알루미늄, 및 철을 함유하는 합금)를 포함할 수 있다. 다른 합금에 대하여, 알루미늄 처리(aluminization)가 확산 코팅으로서 합금의 표면을 알루미나이드(aluminide)로 전환시킬 수 있다. 그 후, 알루미나 스케일은 상기 알루미늄 처리된 합금(aluminized alloy)을 열처리에 의해 열 성장될 수 있다.
상기 제 2층은 연성이고 피복력 있는 금속 코팅을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 재료는 Cu, Cr, Al, Ag, Au, 이들의 2 이상의 혼합물뿐만 아니라 금속 먼지를 발생시키기 않는 경향이 있는 다른 금속, 예를 들어, 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 이들은 합금 혹은 이-층 혹은 3-층 코팅으로 둘 이상의 금속의 복합재(composites)를 포함할 수 있다.
제 2층은 세라믹 코팅을 포함할 수 있으며, 코팅 시스템이 완전히 세라믹이 되도록 한다. 세라믹 코팅은 균열되기 쉬운 경향이 있지만, 2층의 사용은 노출된 하부의 기재 합금을 갖는 두 코팅 모두에서 라인-업으로 형성되는 균열이 발생될 가능성이 감소될 수 있다. 도 52는 인코넬 617 시편을 사용하여 알루미나 상의 티타늄 카바이드의 2층 세라믹 코팅의 성능을 나타낸다. 도 52에 나타낸 바와 같이, 적은 중량 손실이 있지만, 코팅된 시편은 도 50에 나타낸 코팅되지 않은 시편보다 우수하게 수행한다.
제 2층은 여전히 연성이지만, 기재의 CTE (열팽창 계수)와 보다 우수하게 매칭(matching)되는 합금 코팅을 포함할 수 있다. 예로는 Al-Cu 합금, Al-Ag 합금, Al-Cr 합금, Cu-Cr 합금 등을 포함할 수 있다. 제 2층으로 알루미늄-함유 합금을 사용하는 부가적인 이점은 사용하기 전에 전용 열처리 혹은 사용 도중의 자연적인 형성에 의해 표면에 알루미나 스케일을 형성할 가능성에 관련된다.
알루미늄 코팅 상부에 알루미나 스케일의 형성과 함께, 코팅 시스템은 3-층 시스템이 된다. 층 수의 증가는 기재 합금 하부의 바람직한 노출의 원인이 되는 모든 층을 통해 라인-업(line-up)되는 핀홀을 가질 가능성이 감소될 수 있다. 알루미나 코팅은 또한, 금속 코팅 위에 직접 디포지트될 수 있다. 알루미나 디포지션은 물리적 증기 증착(PVD) 또는 화학 증기 증착(CVD)을 사용하여 행할 수 있다. 알루미나 스케일은 약 0.5 내지 약 1.0 미크론의 두께를 가질 수 있다. 그 후, 시편은 캐소딕 아크 디포지션(cathodic arc deposition)에 의해 알루미늄 청동 층으로 코팅될 수 있다. 두 가지 두께의 알루미늄 청동 코팅이 시험된다. 하나는 20 미크론 두께이고 다른 하나는 40 미크론 두께이다. 시편은 4 시간 동안 950℃에서 수소 처리된다. 치리 후, 시편의 표면은 알루미나의 상단 층으로 커버된다. 이들 시편은 100℃ 내지 850℃에서 12회 열 사이클된다. 각각의 시편은 균열, 파쇄 또는 박리(flaking) 등의 코팅 손실 또는 손상의 징후를 나타내지 않는다.
그 후, 시편은 보호되지 않은 시편과 함께 금속 먼지(더스팅, dusting) 저항성이 시험된다. 시험 조건은 380 psig (1.62 MPa)의 압력 및 620℃ 온도로 가혹하다. 가스 환경은 58.4% H2, 18.4% CO, 12.3% CO2, 6.1% N2 및 4.9% CH4를 포함한다. 가스 환경에서 수증기의 부재는 시험을 매우 공격적이 되도록 할 수 있다. 시험 700 시간 후, 알루미늄 청동 코팅된 시편은 가시적인 실패 또는 중량중 감소를 보이지 않았다. 이는 도 53에 나타낸다. 비교하여, SS304 시편은 단지 250 시간 이내에 현저하게 부식된다. 비-보호 인코넬 617의 피팅(pitting)은 100 내지 1,000 시간 사이에 발생한다.
금속 먼지에 대한 효과적인 보호는 일련의 단계를 포함할 수 있다:
단계 1: 알루미나 스케일에 균열이 있으면, CO-함유 가스 스트림이 금속에 대한 가스의 침입을 방어하는 제 1 라인을 제공하는 것에 관한 제1 알루미나 스케일.
단계 2: 코팅에 균열이 있으면, 본질적으로 CO에 의해 공격되지 않는 CU-Al 합금과 같은 침탄 방지 코팅은 금속에 대한 가스의 침입을 방어하는 제 2 라인을 구성할 수 있다.
단계 3: 알루미나 스케일에 균열이 있으면, 제 3 알루미나 스케일은 금속에 대한 가스의 침입을 방어하는 제 3 라인을 제공한다.
단계 4: 알루미늄 처리 과정에서 형성될 수 있는, Cr-Mo 상호확산 층은 금속 먼지에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 이는 도 54 및 55에 나타낸다. 도 55는 이 영역에서 금속 공격이 중단됨을 나타낸다.
단계 5: CO-베어링 스트림(CO-bearing stream)을 포함하는 서로 연결된 채널을 갖는 제품 디자인. 처음 4가지 라인의 방어가 실패하고 피팅으로부터 코킹 결과물이 발생하면, 가스는 반응기에 대한 공급을 유지하도록 디바이스에서 재분배될 수 있다.
단계 6: 개조-시간 경과에 따라 탄소가 축적되고 재분배가 더 이상 유효하지 않으면, 용접 플레이트는 분해되고 표면에서 코우크가 제거된다. 상기 플레이트를 다시 사용할 수 있도록 하기 위해, 부가적인 배리어 코팅이 피팅된 영역에 놓여질 수 있다.
단계 7:교체-금속 먼지를 함유하는 플레이트가 수선될 수 없으면, 완전한 반응기가 다시 사용되는 경우에, 특정한 플레이트가 새로운 플레이트로 교체될 수 있다.
금속 먼지 저항 코팅은 금속 먼지에 취약한 온도 (예를 들어, 약 450℃ 내지 약 750℃)에서 작동하도록 디자인된 반응기 위치에 선택적으로 코팅될 수 있다. 본 발명의 반응기 기술은 높거나 낮은 온도 영역 또는 금속 먼지를 생성하지 않는 유체를 처리할 수 있는 채널로부터의 코팅을 가리기 위해 마스크 혹은 다른 수단을 사용하도록 한다.
실시예 5
촉매 코팅의 개조(보수):
SMR 및 연소 촉매는 시간의 경과에 따라 비활성화할 것으로 예상될 수 있다. 또한, 부적절한 작동 조건으로 인한 코크(coke) 형성과 같은 바람직하지 않은 조건이 마이크로채널의 일부 또는 전체가 플러깅(plugging)되도록 할 수 있으며, 이는 불충분한 성능을 초래한다. SMR 반응기는 촉매 코팅을 개조하거나 이러한 상황에서 원치 않는 디포지트(deposits)를 제거할 수 있는 능력이 있다면 유익할 것이다. 접합된 마이크로채널의 내부에서 코팅된 촉매를 제거하는 간단한 방법은 없다.
본 발명에 의해 제공되는 용접 제조 방법은 따라서 SMR 반응기가 각각의 플레이트로 분해되도록 하며, 따라서, 반응기의 용접 전에, 사용할 수 있는 모든 플레이트에 동일한 접근을 부여한다. SMR 반응기에서 촉매를 개조하는 단계는 다음과 같을 수 있다:
1. 반응기의 개별 플레이트로의 분해
플레이트 및 매니폴드 주변의 용접은 플레이트가 해체되도록 제거될 수 있다. 통상의 그라인딩 및 기계가공 방법이 용접을 제거하는데 사용될 수 있다. 플레이트가 해체된 후에, 이들은 어떠한 변형에 대하여 검열된다. 플레이트가 변형되면, 이들은 기계적 평탄화의 열 어닐링 단계로 재조정될 수 있거나 또는 새로운 플레이트로 교체 될 수 있다.
2. 플레이트에서의 촉매 제거
촉매를 제거하기 위한 위치가 식별된다. 위치는 우선적으로 고순도 백색 알루미나 입자 (220 그릿 크기)로 그릿 블라스트될 수 있다. 알루미나 입자의 강도는 단지 촉매만 제거되도록 조정할 수 있다. 다른 크기의 그릿 또는 재료가 벽에서 촉매를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 벽에서 사용한 촉매를 제거하기 위한 다른 방법은 초음파 및 기계적 교반을 포함할 수 있다. 도 56은 Cat-플레이트의 그릿 블라스팅 전과 후의 비교를 나타낸다. 도 57은 R-P-플레이트의 그릿 블라스팅 전과 후의 비교를 나타낸다.
3. 열 처리(선택사항)
플레이트 상의 알루미나 스케일이 손상되면, 상기 플레이트는 알루미나 스케일을 개조하기 위해 열처리될 수 있다. 열처리 방법의 예는 다음을 포함할 수 있다:
a. 플레이트를 주위 온도 내지 1050℃에서 Ar 중의 18 ppm O2의 통제된 환경에서 가열.
b. 플레이트를 1050℃에서 10 시간 동안 Ar 중의 21% O2 (몰(mole)로)에서 열처리.
c. 플레이트를 Ar 중의 21% O2 (몰(mole)로)에서 주위 온도로 냉각.
또한, 플레이트는 개방 박스 퍼니스에서 또는 희석된 혹은 희석되지 않은 공기를 다른 조합으로 하여 가열될 수 있다.
4. 촉매 적용
상기와 동일한 방법을 사용하여 촉매를 적용한다. 마스크는 촉매를 원하는 위치에만 적용하기 위해 사용될 수 있다. 촉매가 적용된 후, 이는 공기 중에서 건조될 수 있다.
5. 용접 플레이트
플레이트는 상기한 동일한 제조 단계를 사용하여 함께 용접될 수 있다. 코어가 먼저 용접되고 그 후에, 매니폴드 및 유입/배출관 연결이 부착될 수 있다.
6. 촉매의 활성화 및 반응기의 작동
반응기는 촉매가 활성화될 수 있는 시설에 설치될 수 있다. 그 후, 반응기는 작동할 준비가 될 수 있다.
실시예 6
SMR 반응은 두 개의 별도의 반응기를 사용하여 행하여 진다. "용접" 반응기로 지칭되는 제 1 반응기는 본 발명에 따른 주변 용접 및 탈-위치 촉매 코팅으로 제조된다. "접합" 반응기로 지칭되는 다른 반응기는 확산 접합과 원-위치 촉매 코팅을 사용하여 제조된다. 결과는 하기 표 4에 나타낸다.
Figure 112013043620609-pct00006
본 발명은 다양한 실시형태를 통해 설명되었으나, 이의 다양한 변형은 본 명세서에 해당하는 것임이 이 기술분야의 기술자에게 명백하게 이해될 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명은 첨부된 특허청구범위에 포함되는 이러한 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (36)

  1. 적층에서 다수의 플레이트를 포함하는 장치로서,
    상기 적층은 열이 방출되거나 흡수되는 단위 조작(unit operation)을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세스 층 및 상기 적어도 하나의 프로세스 층과 열을 교환하기 위한 적어도 하나의 열교환 층을 포함하고, 상기 프로세스 층은 병렬로 정렬된 다수의 프로세스 마이크로채널을 포함하며, 각각의 플레이트는 30 내지 250 센티미터 범위의 길이, 15 내지 90 센티미터 범위의 폭, 및 0.8 내지 25 밀리미터 범위의 두께를 가지며, 각각의 플레이트는 주변 에지를 가지며, 각각의 플레이트의 상기 주변 에지는 상기 적층을 서로 지지(hold)하고 상기 적층에 대한 주위 밀봉을 제공하도록 다음의 인접한 플레이트의 상기 주변 에지에 용접되며, 상기 용접은 침투 용접이며, 각각의 용접의 평균 침투는 0.25 내지 10 밀리미터이며, 상기 인접한 플레이트 사이의 용접의 평균 침투에 대한 각각의 상기 인접한 플레이트의 평균 표면적의 비율은 적어도 100 ㎠/mm인, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세스 층은 증기 메탄 개질 촉매를 함유하며, 상기 열교환 층은 연소 촉매를 함유하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층에 대한 구조적 지지를 제공하도록 상기 적층의 외부에 외골격이 탑재되는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층에 대한 구조적 지지를 제공하도록 상기 적층의 각각의 측면(side)에 말단 플레이트가 부착되는 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 유체가 동일한 플레이트에서 하나의 프로세스 마이크로채널에서 다른 프로세스 마이크로채널로 흐르는 것을 방지하기 위해 내부 용접을 포함하는 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환 층은 플레이트에 형성된 다수의 열교환 채널을 포함하며, 상기 장치는 유체가 동일한 플레이트에서 하나의 열교환 채널에서 다른 열교환 채널로 흐르는 것을 방지하기 위해 내부 용접을 포함하는 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 상기 프로세스 층으로의 유체의 흐름을 제공하도록 상기 적층에 용접된 유입 프로세스 매니폴드; 상기 프로세스 층 외부로의 유체의 흐름을 제공하도록 상기 적층에 용접된 배출 프로세스 매니폴드; 상기 열교환 층으로 유체의 흐름을 제공하도록 상기 적층에 용접된 적어도 하나의 유입 열교환 매니폴드; 및 상기 열교환 층 외부로의 유체의 흐름을 제공하는 열교환 배출구를 추가로 포함하는 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    각각의 프로세스 마이크로채널은 촉매를 포함하는 반응 영역을 포함하는 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프로세스 층은 프로세스 마이크로채널의 외부로 흐르는 생성물의 균일한 분포를 제공하도록 구성된 다수의 내부 매니폴드, 또는 프로세스 마이크로채널 중 적어도 하나로 흐르는 반응물의 균일한 분포를 제공하도록 구성된 다수의 내부 매니폴드를 포함하는 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 프로세스 마이크로채널은 표면 특징 또는 모세관 특징 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 표면 특징은 채널 내에서의 흐름을 방해하는 채널 벽 또는 내부 채널 구조의 함몰 또는 돌출인 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프로세스 층은 반응물 층, 및 생성물 층, 및 상기 반응물 층에서 상기 생성물 층으로 유체가 흐르도록 하는 상기 반응물 층의 말단과 상기 생성물 층의 말단에 배치된 프로세스 U-턴을 포함하며, 상기 생성물 층은 상기 반응물 층에 인접하여 위치하며, 상기 프로세스 층은 하나 이상의 반응물이 생성물을 형성하도록 반응하고, 하나 이상의 반응물은 상기 반응물 층으로 흘러서, 촉매와 접촉하고 반응하여 생성물을 형성하며, 상기 생성물은 상기 생성물 층의 외부로 흐르는 반응에 사용되도록 구성되는 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환 층은 연료 층, 상기 연료 층에 인접하여 위치되는 공기 층, 상기 연료 층과 상기 공기 층 사이에 위치되는 열교환 벽, 공기가 상기 공기 층으로부터 개구부를 통해 상기 연료 층으로 흐르도록 하는 상기 열교환 벽의 다수의 개구부, 상기 연료 층에 위치되는 연소 촉매, 배기 층, 및 유체가 상기 연료 층에서 상기 배기 층으로 흐르도록 하는 상기 연료 층의 말단과 상기 배기 층의 말단에 위치되는 열교환 U-턴을 포함하며, 상기 열교환 층은 연료가 상기 연료 층에서 흐르도록, 연료-공기 혼합물을 형성하기 위해 연료와 합해지도록 공기가 상기 공기 층으로부터 상기 열교환 벽의 상기 개구부를 통하여 상기 연료 층으로 흐르도록, 상기 연료-공기 혼합물이 열 및 배가스를 형성하는 연소 반응이 되도록 연소 촉매와 접촉되도록 흐르고, 상기 열은 상기 프로세스 층에 열을 제공하고, 상기 배가스는 상기 열교환 층의 외부로 상기 배기 층을 통해 흐르도록 구성되는 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환 층은 연료 층을 포함하며, 상기 연료 층은 연료 마이크로채널 내로 균일한 분포의 연료 흐름을 제공하도록 구성된 다수의 연료 마이크로채널 및 다수의 내부 매니폴드를 포함하는 장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환 층은 공기 층을 포함하며, 상기 공기 층은 공기 마이크로채널 내로 균일한 분포의 공기 흐름을 제공하도록 구성된 다수의 공기 마이크로채널 및 다수의 내부 매니폴드를 포함하는 장치.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환 층은 연료 층을 포함하며, 상기 연료 층은 표면 특징 또는 모세관 특징 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 표면 특징은 채널 내에서의 흐름을 방해하는 채널 벽 또는 내부 채널 구조의 함몰 또는 돌출인 장치.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환 층은 공기 층을 포함하며, 상기 공기 층은 표면 특징 또는 모세관 특징 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 표면 특징은 채널 내에서의 흐름을 방해하는 채널 벽 또는 내부 채널 구조의 함몰 또는 돌출인 장치.
  17. 제1항 또는 제2항의 장치의 형성 방법으로,
    상기 플레이트의 적층을 형성하는 단계; 및
    상기 적층이 서로 결합되도록 하고 주위 밀봉을 제공하도록 각각의 플레이트의 상기 주변 에지를 상기 다음의 인접한 플레이트의 상기 주변 에지에 용접하는 단계를 포함하는, 형성 방법.
  18. 제1항 또는 제2항의 장치의 개조 방법으로,
    상기 플레이트의 상기 주변 에지에서 용접을 제거하는 단계;
    상기 플레이트를 분리하는 단계;
    상기 플레이트의 결함을 수정하는 단계;
    상기 플레이트의 적층을 리포밍하는 단계(reforming); 및
    상기 적층이 서로 결합되도록 하고 상기 적층에 주위 밀봉을 제공하도록 각각의 플레이트의 상기 주변 에지를 상기 다음의 인접한 플레이트의 상기 주변 에지에 용접하는 단계를 포함하는, 개조 방법.
  19. 제1항 또는 제2항의 장치를 사용하여 단위 조작을 행하는 방법으로,
    상기 프로세스 층에서 단위 조작을 행하는 단계; 및
    상기 프로세스 층과 상기 열교환 층 사이에서 열을 교환하는 단계를 포함하는, 단위 조작을 행하는 방법.
  20. 제1항 또는 제2항의 장치를 사용하여 증기 메탄 개질 반응을 행하는 방법으로,
    합성 가스를 형성하기 위해 증기를 상기 프로세스 층에서 촉매 존재하에서 메탄 또는 천연 가스와 반응시키는 단계; 및
    상기 프로세스 층에 열을 제공하기 위해 상기 열교환 층에서 연소 반응을 행하는 단계를 포함하는, 증기 메탄 개질 반응을 행하는 방법.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프로세스 층 또는 상기 열교환 층 중 적어도 하나에 촉매가 존재하며, 상기 촉매는 적층을 형성하기 위한 상기 플레이트의 용접 전에 하나 이상의 플레이트 탈-위치(ex-situ)에 적용되는 장치.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 상기 플레이트는 이러한 플레이트의 하나 이상의 표면에 부식 방지 또는 점착-방지 층 중 적어도 하나를 갖는 장치.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 상기 플레이트는 이러한 플레이트의 하나 이상의 표면에 금속 먼지 저항 층을 갖는 장치.
  24. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프로세스 층 또는 열교환 층 중 적어도 하나에서 플레이트는 표면을 포함하며, 상기 표면의 전부가 아닌 일부가 그 위에 촉매 층, 부식-방지 층, 점착-방지 층, 또는 금속 먼지 저항 층 중 적어도 하나를 갖는 장치.
  25. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 상기 플레이트는 그 위에 하나 이상의 표면 보호 층을 갖는 장치.
  26. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 플레이트는 그 위에 표면 보호 층을 가지며, 상기 표면 보호 층은 두 개 또는 세 개의 층을 포함하며, 각각의 층은 다른 재료의 조성물을 포함하는 장치.
  27. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 플레이트는 그 위에 표면 보호 층을 가지며, 상기 표면 보호 층은 세 개의 층을 포함하며, 제 1 층은 구리를 포함하고, 제 2 층은 알루미늄-함유 금속 합금을 포함하고, 제 3 층은 금속 합금을 포함하는 장치.
  28. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 플레이트는 그 위에 표면 보호 층을 가지며, 상기 표면 보호 층에 촉매가 부착되는 장치.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 프로세스 층에서 상기 메탄 또는 천연 가스의 흐름은 초당 10 내지 200 미터 범위의 겉보기 속도이며, 상기 증기 메탄 개질 반응의 평형에 대한 접근은 적어도 80%이고, 상기 장치에서 압력 강하 당 반응열은 2 내지 20 W/Pa의 범위인 방법.
  30. 제20항에 있어서,
    상기 증기 메탄 개질 반응에 대한 접촉 시간은 최고 25 ms이며, 증기 메탄 개질 반응의 평형에 대한 접근은 적어도 80%이고, 상기 장치에서 압력 강하 당 반응열은 2 내지 20 W/Pa의 범위인 방법.
  31. 제20항에 있어서,
    단위 접촉 시간당 반응열은 적어도 20 W/ms인 방법.
  32. 제20항에 있어서,
    상기 장치에서의 압력 강하당 반응열은 2 내지 20 W/Pa의 범위인 방법.
  33. 제20항에 있어서,
    상기 증기 메탄 개질 반응은 플레이트의 표면에 형성되는 금속 더스팅 피츠(dusting pitz) 없이 적어도 2000 시간 동안 행하여지는 방법.
  34. 제20항에 있어서,
    상기 증기 메탄 개질 반응은 적어도 2000 시간 동안 행하여지며, 상기 반응을 적어도 2000 시간 동안 행한 후에 상기 프로세스 층에 대한 압력 강하는 상기 방법의 시작시의 압력 강하의 20% 미만으로 증가하는 방법.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 적층은 격납 용기에 위치되며, 상기 적층은 대기 압력보다 높은 내부 압력에서 작동하도록 구성되고, 상기 격납 용기는 대기 압력보다 높은 내부 압력에서 작동하도록 구성되고 상기 적층의 외부 표면에 압력의 적용을 제공하며, 상기 격납 용기는 격납 용기 내의 압력을 적어도 상기 적층의 내부 압력 정도로 높게 유지하도록 하는 제어 메카니즘을 포함하는 장치.
  36. 제1항에 있어서,
    각각의 플레이트는 활성 영역 및 상기 활성 영역의 적어도 일부를 둘러싸는 가장자리를 갖는 장치.
KR1020137012807A 2010-10-18 2011-10-18 용접된 마이크로채널 프로세서 KR101783794B1 (ko)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US39432810P 2010-10-18 2010-10-18
US61/394,328 2010-10-18
US201161441276P 2011-02-09 2011-02-09
US61/441,276 2011-02-09
US201161510191P 2011-07-21 2011-07-21
US61/510,191 2011-07-21
PCT/US2011/056672 WO2012054455A2 (en) 2010-10-18 2011-10-18 Microchannel processor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140035867A KR20140035867A (ko) 2014-03-24
KR101783794B1 true KR101783794B1 (ko) 2017-11-06

Family

ID=44903404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137012807A KR101783794B1 (ko) 2010-10-18 2011-10-18 용접된 마이크로채널 프로세서

Country Status (11)

Country Link
US (2) US20120095268A1 (ko)
JP (2) JP5922137B2 (ko)
KR (1) KR101783794B1 (ko)
CN (1) CN103338852B (ko)
AU (2) AU2011317245B2 (ko)
BR (1) BR112013009271A2 (ko)
CA (1) CA2814870C (ko)
DE (1) DE112011103503T5 (ko)
GB (1) GB2498294B (ko)
RU (1) RU2013114747A (ko)
WO (1) WO2012054455A2 (ko)

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5547120B2 (ja) * 2011-03-18 2014-07-09 株式会社神戸製鋼所 流路構造体、流体の混合方法、抽出方法及び反応方法
GB2509254B (en) 2011-07-19 2018-07-04 Velocys Inc A method of loading material within a microchannel device
CN103551701B (zh) * 2013-11-15 2015-05-27 哈尔滨工业大学 一种用于钎焊医用吻合器氧化锆陶瓷/不锈钢固定钳头的卡具及钎焊方法
FR3023494B1 (fr) * 2014-07-09 2020-06-05 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Echangeur et/ou echangeur-reacteur fabrique par methode additive
CA2961390C (en) 2014-09-15 2024-02-20 Velocys Technologies, Ltd. Methods of making purified water from the fischer-tropsch process
JP6190352B2 (ja) * 2014-12-19 2017-08-30 株式会社神戸製鋼所 流体流通装置及びその運転方法
CA2984609A1 (en) 2015-05-01 2016-11-10 Velocys Technologies, Ltd. Process for operating an integrated gas-to-liquids facility
FR3038704A1 (fr) * 2015-07-10 2017-01-13 Air Liquide Echangeur et/ou echangeur-reacteur comprenant des canaux presentant une faible epaisseur de paroi entre eux.
DE102015111614A1 (de) 2015-07-17 2017-01-19 Karlsruher Institut für Technologie Mikrostrukturreaktor zur Durchführung exothermer, heterogen katalysierter Reaktionen mit effizienter Verdampfungskühlung
JP6659374B2 (ja) * 2016-01-22 2020-03-04 株式会社神戸製鋼所 熱交換器及び熱交換方法
US10288330B2 (en) 2016-04-18 2019-05-14 Qcip Holdings, Llc Microchannel evaporators with reduced pressure drop
CN106242978B (zh) * 2016-07-28 2018-08-31 南京工业大学 一种利用微反应装置制备防老剂6ppd的方法
RU2626645C1 (ru) 2016-10-14 2017-07-31 Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" Способ извлечения компонентов из природных и технологических газовых смесей пертракцией на нанопористых мембранах
RU2638217C1 (ru) 2016-12-15 2017-12-12 Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" Компактный реактор для получения синтетических углеводородов в процессе Фишера-Тропша, способ активации катализатора Фишера-Тропша и способ осуществления синтеза Фишера-Тропша в компактном варианте с его использованием
DE102017001562A1 (de) 2017-02-20 2018-08-23 Diehl Aerospace Gmbh Fuel-Prozessor-Komponente für einen Propylenglykol-Fuel-Prozessor und Propylenglykol-Fuel-Prozessor
KR102077263B1 (ko) * 2017-12-29 2020-02-13 연세대학교 산학협력단 메탄 가스 전환용 촉매 복합체 및 이를 이용한 메탄 가스 전환 방법
DE102018007737A1 (de) * 2018-10-01 2020-04-02 Hitachi Zosen Inova Etogas Gmbh Festbettanordnung
WO2020162938A1 (en) * 2019-02-07 2020-08-13 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Photo-etched chassis cooling walls
WO2020249529A1 (en) 2019-06-13 2020-12-17 Velocys Technologies Limited Regeneration of catalyst
GB2593938B (en) 2020-04-10 2022-05-18 Velocys Tech Limited Process and apparatus
CN112724048B (zh) * 2020-12-30 2023-01-13 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 磺酸盐的制备方法及其应用
CN113698207B (zh) * 2021-08-24 2022-12-13 南通三责精密陶瓷有限公司 一种碳化硅微反应组件的制造方法及碳化硅微反应组件
US20240068081A1 (en) * 2022-08-25 2024-02-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method for converting an existing industrial unit to produce hydrogen from ammonia
WO2024062122A1 (en) 2022-09-23 2024-03-28 Velocys Technologies Ltd Channel assembly
CN115533235B (zh) * 2022-11-24 2023-04-14 成都宏明电子股份有限公司 大端子薄膜电容器的焊接方法、工装、焊片及生产方法
CN116799202B (zh) * 2023-07-20 2024-02-13 天津大学 一种多元硫化物正极材料及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040099712A1 (en) * 2002-11-27 2004-05-27 Tonkovich Anna Lee Microchannel apparatus, methods of making microchannel apparatus, and processes of conducting unit operations
US20050211688A1 (en) * 2002-05-07 2005-09-29 Olivier Matile Method for hybrid multiple-thickness laser-arc welding with edge welding
JP2007534457A (ja) * 2003-05-16 2007-11-29 ヴェロシス，インク． 触媒または吸着媒体用内部フィン支持体を備えるマイクロチャネル

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19801374C1 (de) * 1998-01-16 1999-03-11 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Verfahren zum Löten von metallischen mikrostrukturierten Blechen
US6969506B2 (en) * 1999-08-17 2005-11-29 Battelle Memorial Institute Methods of conducting simultaneous exothermic and endothermic reactions
ZA200306075B (en) * 2001-02-16 2004-09-08 Battelle Memorial Institute Integrated reactors, methods of making same, and methods of conducting simultaneous exothermic and endothermic reactions.
US7883670B2 (en) * 2002-02-14 2011-02-08 Battelle Memorial Institute Methods of making devices by stacking sheets and processes of conducting unit operations using such devices
US8172913B2 (en) * 2002-04-23 2012-05-08 Vencill Thomas R Array of planar membrane modules for producing hydrogen
US7402719B2 (en) * 2002-06-13 2008-07-22 Velocys Catalytic oxidative dehydrogenation, and microchannel reactors for catalytic oxidative dehydrogenation
US7250151B2 (en) * 2002-08-15 2007-07-31 Velocys Methods of conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
US7014835B2 (en) * 2002-08-15 2006-03-21 Velocys, Inc. Multi-stream microchannel device
JP2004285187A (ja) * 2003-03-20 2004-10-14 Rikogaku Shinkokai 炭化水素の部分酸化方法およびマイクロリアクタ装置
US7294734B2 (en) * 2003-05-02 2007-11-13 Velocys, Inc. Process for converting a hydrocarbon to an oxygenate or a nitrile
US7422910B2 (en) * 2003-10-27 2008-09-09 Velocys Manifold designs, and flow control in multichannel microchannel devices
US20050175519A1 (en) * 2004-02-06 2005-08-11 Rogers William A.Jr. Microchannel compression reactor
US7874432B2 (en) * 2004-03-23 2011-01-25 Velocys Protected alloy surfaces in microchannel apparatus and catalysts, alumina supported catalysts, catalyst intermediates, and methods of forming catalysts and microchannel apparatus
CN101090766B (zh) * 2004-11-03 2010-06-09 维罗西股份有限公司 迷你通道和微通道中的局部沸腾
US7468455B2 (en) * 2004-11-03 2008-12-23 Velocys, Inc. Process and apparatus for improved methods for making vinyl acetate monomer (VAM)
JP2007296495A (ja) * 2006-05-02 2007-11-15 Dainippon Printing Co Ltd マイクロリアクターおよびその製造方法
US8057743B2 (en) * 2007-06-15 2011-11-15 Hipep Laboratories Micro-passage chip
JP4877211B2 (ja) * 2007-11-28 2012-02-15 大日本印刷株式会社 マイクロリアクターおよびその製造方法
CN101462694B (zh) * 2007-12-19 2011-04-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种微型化的甲醇自热重整制氢集成装置和制氢方法
JP2009202130A (ja) * 2008-02-29 2009-09-10 Dainippon Printing Co Ltd 発熱基板およびそれを用いたマイクロリアクター
JP2009274927A (ja) * 2008-05-16 2009-11-26 Dainippon Printing Co Ltd 発熱基板とそれを用いたマイクロリアクターおよび発熱基板の製造方法
CN101439348A (zh) * 2008-12-29 2009-05-27 济南钢铁股份有限公司 一种生产特厚板的工艺方法
CN101554577B (zh) * 2009-04-10 2011-05-11 南京工业大学 集成式不锈钢微流体反应器加工方法
ES2845220T3 (es) * 2010-03-02 2021-07-26 Velocys Inc Aparato soldado y laminado, métodos de fabricación y métodos de uso del aparato

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050211688A1 (en) * 2002-05-07 2005-09-29 Olivier Matile Method for hybrid multiple-thickness laser-arc welding with edge welding
US20040099712A1 (en) * 2002-11-27 2004-05-27 Tonkovich Anna Lee Microchannel apparatus, methods of making microchannel apparatus, and processes of conducting unit operations
JP2007534457A (ja) * 2003-05-16 2007-11-29 ヴェロシス，インク． 触媒または吸着媒体用内部フィン支持体を備えるマイクロチャネル

Also Published As

Publication number Publication date
AU2011317245B2 (en) 2015-11-05
AU2016200508A1 (en) 2016-02-18
AU2016200508B2 (en) 2017-03-02
CN103338852A (zh) 2013-10-02
CA2814870A1 (en) 2012-04-26
WO2012054455A2 (en) 2012-04-26
US20120095268A1 (en) 2012-04-19
JP2014505578A (ja) 2014-03-06
GB201305760D0 (en) 2013-05-15
CN103338852B (zh) 2016-11-09
JP6232099B2 (ja) 2017-11-15
KR20140035867A (ko) 2014-03-24
US20170014795A1 (en) 2017-01-19
AU2011317245A1 (en) 2013-05-02
JP2016195993A (ja) 2016-11-24
WO2012054455A3 (en) 2012-06-14
GB2498294B (en) 2017-08-09
GB2498294A (en) 2013-07-10
BR112013009271A2 (pt) 2016-07-26
DE112011103503T5 (de) 2013-11-21
RU2013114747A (ru) 2014-11-27
JP5922137B2 (ja) 2016-05-24
CA2814870C (en) 2017-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101783794B1 (ko) 용접된 마이크로채널 프로세서
CA2560831C (en) Protected alloy surfaces in microchannel apparatus and catalysts, alumina supported catalysts, catalyst intermediates, and methods of forming catalysts and microchannel apparatus
US9011781B2 (en) Catalysts having catalytic material applied directly to thermally-grown alumina and catalytic methods using same; improved methods of oxidative dehydrogenation
US8206597B2 (en) Protected alloy surfaces in microchannel apparatus and catalysts, alumina supported catalysts, catalyst intermediates, and methods of forming catalysts and microchannel apparatus
CN100460053C (zh) 微通道器件、制造微通道器件的方法以及进行单元操作的工艺
JP6366937B2 (ja) ラミネートされたリーク防止化学処理機、作製方法及び操作方法
EP1755777A1 (en) Micro-channel reactor with catalysts applied directly to thermally-grown alumina, methods using same and oxidative dehydrogenation
EA031535B1 (ru) Устройство для получения ацетилена из потока поступающего сырья
US9676623B2 (en) Process and apparatus for conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
RU2588519C2 (ru) Слоистые, устойчивые к утечкам химические реакторы, способы производства и способы эксплуатации
Blakeley Autothermal reforming of methane for syngas production in a novel ceramic microchannel reactor
AU2011317159B8 (en) Laminated, leak-resistant chemical processors, methods of making, and methods of operating

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant