マイクロチャネル技術を用いる酸化方法およびそのために有用な新規触媒
炭化水素反応物をＣＯとＨ２へ変換する方法が開示される。方法は、（Ａ）炭化水素反応物（１１６）および酸素または酸素源（１１８）を含む反応組成物をマイクロチャネル反応器（１００）に流して反応条件下で触媒と接触させて生成物を形成するステップを含む。ステップ（Ａ）で形成された生成物はマイクロチャネル反応器中でＣＯ２とＨ２Ｏを含む生成物に変換することができる。式Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘで表される組成物を含む触媒が開示され、式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００３年５月１６日に出願の米国特許出願第１０／４４０，０５３号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、マイクロチャネル技術を用いる酸化方法、および酸化方法に有用な新規の触媒に関する。
【背景技術】
【０００３】
メタンおよび高級炭化水素を、燃料リッチ条件下、マイクロチャネル反応器中で比較的短い接触時間で完全に燃焼することは困難である。燃焼は不完全であり、これは望ましくないレベルの一酸化炭素と炭素の堆積を招く。したがって、問題はマイクロチャネル反応器中で完全な燃焼反応を行う方法を見出すことである。本発明はこの問題に対する解決を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
部分酸化反応は典型的に触媒の存在下で炭化水素を酸素と反応させ水素と一酸化炭素を形成することを含む。例には、メタンの水素と一酸化炭素への変換が含まれる。これらの反応の問題は、それらが発熱反応であり、典型的に熱点を形成しやすい固定床反応器中で行われることである。これらの熱点の形成は、触媒の不活性化の傾向を増加させる。本発明はこの問題に対する解決を提供する。
【０００５】
本発明は、部分酸化反応または燃焼反応と結びついた部分酸化反応がマイクロチャネル反応器中で行われる方法に関し、熱点の形成しやすさが低減され、望ましい製品の選択性が高まる。本発明の方法によるこれらの熱点の低減は、少なくとも部分的に、マイクロチャネル反応器が熱移動特性を高め、滞留時間のより正確な制御を提供することによるものと考えられる。一実施形態において、新規な、安定性のある活性の高い部分酸化触媒が本発明の方法に用いられる。
【０００６】
本発明の方法によって、マイクロチャネル反応器を使用しない従来技術の方法に比べ、比較的高い熱と質量の移動およびより短い接触時間を得ることができる。これは従来技術よりも正確な温度制御を提供する。すなわち、これは触媒の耐久性の増加と望ましくない副生成物の形成の低減をもたらす。この方法によって、それらの従来技術に比べて、炭化水素反応物の比較的高レベルの変換と、望ましい生成物への高レベルの選択性を得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、炭化水素反応物をＣＯとＨ２を含む生成物に変換する方法に関し、
（Ａ）炭化水素反応物および酸素または酸素源を含む反応組成物をマイクロチャネル反応器に流し、反応条件下で触媒に接触させて流し生成物を形成するステップを含み、マイクロチャネル反応器が少なくとも１つのプロセスマイクロチャネルを含み、触媒がプロセスマイクロチャネル内に配置され、炭化水素反応物がメタンを含み、プロセスマイクロチャネル内の反応組成物の接触時間は約５００ミリ秒以下であり、プロセスマイクロチャネル内の反応組成物と生成物の温度は約１１５０℃以下であり、炭化水素反応物の変換は少なくとも約５０％である方法に関する。
【０００８】
本発明の一実施形態において、ステップ（Ａ）に使用される触媒は部分酸化触媒であり、ステップ（Ａ）で形成された生成物は中間生成物であり、方法はステップ（Ａ）に続く以下の追加のステップをさらに含む。
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成された中間生成物を、マイクロチャネル反応器を通して流して反応条件下で燃焼触媒に接触させてＣＯ２とＨ２Ｏを含む最終生成物を形成する。
【０００９】
一実施形態において、反応組成物はＨ２Ｏをさらに含み、生成物はＨ２、ＣＯ、ＣＯ２を含む。
【００１０】
一実施形態において、本発明は、下記式によって表される組成物を含む触媒であって、基材上に被覆されるか、あるいは発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される触媒に関する。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
（式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である）
【００１１】
一実施形態において、本発明は、
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３の層を少なくとも担体構造の一部に塗工するステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）で形成した焼成担体構造の表面に助触媒または安定剤を加えるステップであって、助触媒または安定剤がＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその酸化物もしくは硝酸塩、あるいその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で形成した焼成担体構造の表面に触媒金属またはその酸化物もしくは硝酸塩を塗工するステップであって、触媒金属がＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｆ）ステップ（Ｅ）で形成した被処理担体構造を焼成して担持触媒を形成するステップとを含む、担持触媒の製造方法に関する。
【００１２】
添付の図面において、同様の部品および特徴は同様の記号を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
「マイクロチャネル」という用語は、約１０ミリメートル（ｍｍ）までの高さまたは幅の少なくとも１個の内部寸法を有するチャネルを指し、一実施形態において約５ｍｍまで、一実施形態において約２ｍｍまで、一実施形態において約１ｍｍまでである。一実施形態において、高さまたは幅は約０．０５〜約１０ｍｍの範囲であり、一実施形態において約０．０５〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１．５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約０．７５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約０．５ｍｍである。高さおよび幅は両方ともマイクロチャネルを通る流れ方向に垂直である。
【００１４】
１個のチャネルの位置を他のチャネルの位置に関して参照するときの用語「隣接する」は、壁が２個のチャネルを分離するように直接隣接することを意味する。この壁は厚さが変化してもよい。しかし、「隣接する」チャネルは、チャネル間の熱伝達を妨害するであろう介在チャネルによって分離されない。
【００１５】
「流体」という用語は、ガス、液体、または分散した固体を含むガスもしくは液体、またはその混合物を指す。流体は分散された液滴を含むガスの形とすることができる。
【００１６】
「接触時間」という用語は、マイクロチャネル反応器内の反応ゾーンの容積を温度０℃、１気圧の反応組成物の容積流量で除したものを指す。
【００１７】
「滞留時間」という用語は、空間を通って流れる流体によって占拠された空間の内部容積（例えばマイクロチャネル反応器内の反応ゾーン）を、使用される温度と圧力で空間を通って流れる流体の平均容積流量で除したものを指す。
【００１８】
「反応ゾーン」という用語は、反応物が触媒に接触するマイクロチャネル反応器内の空間を指す。
【００１９】
「炭化水素反応物の変換」という用語は、反応組成物と生成物間の炭化水素反応物のモル変化を反応組成物中の炭化水素反応物のモルで除したものを指す。
【００２０】
「所望の生成物への選択性」という用語は、生成された所望の酸素化またはニトリルのモルを、生成された所望の酸素化またはニトリルのモル＋他の生成された生成物のモル（例えばＣＯ、ＣＯ２）で除し、それらの各々の化学量論的因子を乗じたものを指す。例えば、望ましくない副生成物として二酸化炭素を含む、エチレンの酸化エチレンへの酸化では、１モルの酸化エチレンと１モルの二酸化炭素の生成は、選択性が１００×（１／（１＋０．５））＝６７％になる。
【００２１】
「炭化水素」という用語は、炭化水素または主として炭化水素の特性を有する化合物を指す。これらの炭化水素化合物は、以下を含む。
（１）純粋な炭化水素化合物：すなわち、脂肪族化合物（例えばアルカンまたはアルキレン）、脂環式化合物（例えばシクロアルカン、シクロアルキレン）、芳香族化合物、脂肪族および脂環式化合物で置換した芳香族化合物、芳香族で置換した脂肪族化合物、芳香族で置換した脂環式化合物等。例には、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、エチルシクロヘキサン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、スチレン等が含まれる。
（２）置換した炭化水素化合物：すなわち、化合物の炭化水素特性を大きく変化させない非炭化水素置換基を含む炭化水素化合物。非炭化水素置換基の例には、ヒドロキシ、アシル、ニトロ等が含まれる。
（３）ヘテロ置換炭化水素化合物：すなわち、特性では主として炭化水素であるが、鎖または環中に炭素以外の原子を含み、他は炭素原子からなる炭化水素化合物。適切なヘテロ原子には、例えば、窒素、酸素、硫黄が含まれる。
【００２２】
本発明の方法は図１および図２に示した通りに行うことができる。図１を参照すれば、方法は、マイクロチャネル反応器コア１０１と、反応物ヘッダ１０２と、酸化物ヘッダ１０４と、生成物フッタ１０６と、熱交換ヘッダ１１０と、熱交換フッタ１１２とを含むマイクロチャネル反応器１００を用いて運転される。マイクロチャネル反応器コア１０１は反応器ゾーン１０７と、マニホールドおよび回収熱交換機１０８とを含む。炭化水素反応物を含む反応組成物は、方向矢印１１６で示すように、反応物ヘッダ１０２を通ってマイクロチャネル反応器１００の中へ流れる。酸素もしくは酸素源は、方向矢印１１８で示すように、酸化物ヘッダ１０４を通ってマイクロチャネル反応器１００の中へ流れる。炭化水素反応物および酸素または酸素源はマニホールドおよび回収熱交換機１０８を通って反応器ゾーン１０７へ流れ、そこでそれらは触媒に接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は反応器ゾーン１０７からマニホールドおよび回収熱交換機１０８を通って生成物フッタ１０６へ流れ、方向矢印１２０で示すように生成物フッタ１０６を出る。熱交換流体は、方向矢印１２４で示すように、熱交換ヘッダ１１０の中へ流れることができ、熱交換ヘッダ１１０からマイクロチャネル反応器コア１０１を通って熱交換フッタ１１２へ流れ、方向矢印１２６で示すように、熱交換フッタ１１２を出ることができる。反応物は反応器ゾーンへ入る前に予備加熱することができる。炭化水素反応物および酸素または酸素源は反応器ゾーンへ入る前に混合することができ、あるいはそれらは反応器ゾーン中で混合することができる。
【００２３】
マイクロチャネル反応器コア１０１内で、酸素または酸素源は段階的添加を用いて炭化水素反応物に加えることができる。これは、図１に示したマイクロチャネル反応器１００に使用される繰り返しユニット１３０を説明する図２に示されている。繰り返しユニット１３０は筐体ユニット１３１内に収納され、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０、酸化物マイクロチャネル１６０、オリフィス１７０、熱交換マイクロチャネル１８０および１９０を含む。炭化水素反応物は、方向矢印１４１および１５１でそれぞれ示すように、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０を通って流れる。酸素または酸素源は、方向矢印１６１で示すように、酸化物マイクロチャネル１６０を通ってオリフィス１７０へ流れる。酸素または酸素源はプロセスマイクロチャネル１４０および１５０中で炭化水素反応物と混合する。プロセスマイクロチャネル１４０および１５０は、触媒が存在し反応物が触媒に接触して反応を行い、所望の生成物を形成するそれぞれの反応ゾーン１４２および１５２と、前述の触媒または異なる触媒にさらに接触することができ、あるいは生成物の冷却および／または急冷を行うことのできるそれぞれのチャネルゾーン１４３および１５３とを有する。反応ゾーンに配置された触媒は部分酸化触媒である。一実施形態において、燃焼触媒は、反応ゾーン１４２および１５２、ならびに／またはチャネルゾーン１４３および１５３中の部分酸化触媒の下流に配置することができる。生成物は、それぞれ方向矢印１４４および１５４で示すように、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０を出る。プロセスマイクロチャネル１４０および１５０を出る生成物は、方向矢印１２０で示すように、マニホールドおよび回収熱交換機１０８を流れ、マニホールドおよび回収熱交換機１０８から生成物フッタ１０６へ流れる。熱交換流体は、方向矢印１８１、１９１および１９２でそれぞれ示すように、ヘッダ１１０から熱交換チャネル１８０および１９０を通って熱交換フッタ１１２へ流れる。熱交換チャネル１８０および１９０は、矢印１８１、１９１、１９２で示すように、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０に関して直交する方向への流れを提供するように配列される。プロセスマイクロチャネル１４０および１５０は熱を熱交換チャネルへ伝達する。熱交換流体は既知の技術を用いて再循環することができる。代りに、熱交換チャネルは、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０の流体の流れ方向に関して並流または対向流の熱交換流体の流れを与えるように配置することができる。図２に示した繰り返しユニット１３０は、マイクロチャネル反応器１００内で１回行うことができ、あるいは、任意の回数、例えば、２回、３回、４回、５回、１０回、２０回、５０回、１００回、数百回、千回、数千回、一万回、数万回、十万回、数十万回、または数百万回行うことができる。この方法に設けられた段階的な酸素添加によって、局部的な酸素圧力を下げる利点と、高い規模に匹敵する望ましくない燃焼反応よりも望ましい低い規模の部分酸化反応を優先する利点とを提供する。
【００２４】
プロセスマイクロチャネル１４０と１５０および酸化物マイクロチャネル１６０の各々は、約１０ｍｍまでの高さまたは幅の少なくとも１個の内部寸法を有することができ、一実施形態において約０．０５〜約１０ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１．５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約０．５ｍｍである。高さまたは幅の他の内部寸法は任意の値とすることができ、例えば、約０．１ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．１〜約７５ｃｍ、一実施形態において約０．１〜約５０ｃｍ、一実施形態において約０．２ｃｍ〜約２５ｃｍである。プロセスマイクロチャネル１４０と２５０、および酸化物マイクロチャネル１６０の各々の長さは任意の値とすることができ、例えば、長さは約１ｃｍ〜約５００ｃｍの範囲とすることができ、一実施形態において１ｃｍ〜約２５０ｃｍ、一実施形態において１ｃｍ〜約１００ｃｍ、一実施形態において１ｃｍ〜約５０ｃｍ、一実施形態において約２ｃｍ〜約２５ｃｍである。
【００２５】
熱交換チャネル１８０および１９０の各々は、約１０ｍｍまでの高さまたは幅の少なくとも１個の内部寸法を有することができ、一実施形態において約０．０５〜約１０ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１ｍｍである。他の内部寸法は、約１ｍｍ〜約１ｍの範囲とすることができ、一実施形態において約１ｍｍ〜約０．５ｍ、一実施形態において約２ｍｍ〜約１０ｃｍである。熱交換チャネルの長さは、約１ｍｍ〜約１ｍの範囲とすることができ、一実施形態において約１ｃｍ〜約０．５ｍである。これらの熱交換チャネルはマイクロチャネルとすることができる。各プロセスマイクロチャネル１４０または１５０と次の隣接する熱交換チャネル１８０または１９０間の分離は、約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．２ｍｍ〜約２ｍｍである。
【００２６】
マイクロチャネル反応器１００は既知の技術を用いて作製することができる。これらは、挟み込んだシムの積層を含み、プロセスマイクロチャネル、酸化物マイクロチャネル、および熱交換マイクロチャネル用に設計されたシムが挟み込まれる。
【００２７】
筐体１３１、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０、酸化物マイクロチャネル１６０、および熱交換チャネル１８０および１９０は、本発明の方法の実行を可能にするのに十分な強度、寸法安定性、および熱伝達特性を提供する任意の材料から作製することができる。これらの材料は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼等）、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の前述の金属の合金、ポリマー（例えば熱硬化性樹脂）、セラミック、ガラス、１種もしくは複数種のポリマー（例えば熱硬化樹脂）およびファイバーグラスを含む複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せを含む。
【００２８】
代わりに、酸素または酸素源のマイクロチャネル反応器への段階的添加は、分離した装置を使用し、ひとつの装置内の小さなオリフィスまたはジェットの使用によって、あるいは微小孔メンブレンまたは代りの噴霧シートから行うことができる。部分酸化反応および特殊な酸化性脱水素反応への酸素の段階的添加は、Ｔｏｎｋｏｖｉｃｈ、Ｚｉｌｋａ、Ｊｉｍｅｎｚ、Ｒｏｂｅｒｔｓ、およびＣｏｘの１９９６年「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｒｅａｃｔｏｒｓ：ａ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ、５１（５）、７８９〜８０６）に開示されており、参照により本明細書に組み込まれている。
【００２９】
一実施形態において、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０はバルク流路を含むことができる。「バルク流路」という用語はプロセスマイクロチャネル内の開放通路（連続的なバルク流れの領域）を指す。連続的なバルク流領域は、大きな圧力降下なしにマイクロチャネルを通る急速な流体の流れを可能にする。一実施形態において、バルク流領域中の流体の流れは層流である。各プロセスマイクロチャネル内のバルク流領域は、約０．０５〜約１０，０００ｍｍ２の断面積を有することができ、一実施形態において約０．０５〜約５０００ｍｍ２、一実施形態において約０．１〜約２５００ｍｍ２、一実施形態において約０．２〜約１０００ｍｍ２、一実施形態において約０．３〜約５００ｍｍ２、一実施形態において約０．４〜約２５０ｍｍ２、一実施形態において約０．５〜約１２５ｍｍ２である。バルク流領域は、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０の断面積の約５％〜約９５％を含むことができ、一実施形態において約３０％〜約８０％である。
【００３０】
反応組成物は流体の形とすることができる。この流体は液体またはガスとすることができ、一実施形態においてそれはガスの形である。この流体は分散した液体液滴を含むガスの形とすることができる。反応組成物はメタンを含み、１種または複数種の追加の炭化水素反応物をさらに含むことができる。メタンと１種または複数種の追加の炭化水素反応物との混合物中のメタンの濃度は、メタン約１００％までの濃度の範囲とすることができ、一実施形態においてメタン約１０〜約９０体積％、一実施形態においてメタン約５０〜約９０体積％である。
【００３１】
反応組成物の純度は重要ではないが、触媒を阻害し得る化合物の存在は避けることが望ましい。結果として、反応組成物は空気、二酸化炭素等などの不純物をさらに含むことができる。
【００３２】
反応組成物は希釈材料を含むことができる。それらの希釈剤の例には、窒素、ヘリウム、二酸化炭素、液体の水、蒸気等が含まれる。反応組成物中の炭化水素反応物に対する希釈剤の体積比は、０〜約８０体積％の範囲とすることができ、一実施形態において０〜約５０体積％である。しかし、本発明の少なくとも一実施形態の利点は、本発明の方法をそれらの希釈剤なしで行うことができ、したがってより効率的かつ簡潔な方法を提供できることである。
【００３３】
炭化水素反応物はメタンを含むことができ、さらに、酸化反応を行うことができ、プロセスマイクロチャネル内で使用される温度と圧力で流体（および一実施形態において蒸気）である１種または複数種の追加の炭化水素化合物を含むことができる。例には、飽和脂肪族化合物（例えばアルカン）、不飽和脂肪族化合物（例えばモノエン、ポリエン等）、アルキル置換芳香族化合物、アルキレン置換芳香族化合物、油、通常の流体燃料等が含まれる。
【００３４】
飽和脂肪族化合物は、分子当たり２〜約２０個の炭素原子を含むアルカンを含み、一実施形態において２〜約１８個の炭素原子、一実施形態において２〜約１６個の炭素原子、一実施形態において２〜約１４個の炭素原子、一実施形態において２〜約１２個の炭素原子、一実施形態において２〜約１０個の炭素原子、一実施形態において２〜約８個の炭素原子、一実施形態において２〜約６個の炭素原子、一実施形態において２〜約４個の炭素原子である。これらは、エタン、プロパン、イソプロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等を含む。
【００３５】
不飽和脂肪族化合物は２〜約２０個の炭素原子を含むアルケンまたはアルキレンを含み、一実施形態において２〜約１８個の炭素原子、一実施形態において２〜約１６個の炭素原子、一実施形態において２〜約１４個の炭素原子、一実施形態において２〜約１２個の炭素原子、一実施形態において２〜約１０個の炭素原子、一実施形態において２〜約８個の炭素原子、一実施形態において分子当たり２〜約６個の炭素原子、一実施形態において２〜約４個の炭素原子である。これらは、エチレン、プロピレン、１−ブテン、２−ブテン、イソブチレン、１−ペンテン、２−ペンテン、３−メチル−１−ブテン、２−メチル−２−ブテン、１−ヘキセン、２，３−ジメチルー２−ブテン、１−へプテン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン等を含む。
【００３６】
不飽和脂肪族化合物はポリエンを含むことができる。これらは、ジエン、トリエン等を含む。これらの化合物は、分子当たり３〜約２０個の炭素原子を含むことができ、一実施形態において３〜約１８個の炭素原子、一実施形態において３〜約１６個の炭素原子、一実施形態において３〜約１４個の炭素原子、一実施形態において３〜約１２個の炭素原子、一実施形態において３〜約１０個の炭素原子、一実施形態において約４〜約８個の炭素原子、一実施形態において分子当たり約４〜約６個の炭素原子である。例には、１，２−プロパジエン（アレンとしても知られる）、１，３−ブタジエン、２−メチル−１，３−ブタジエン（イソプレンとしても知られる）１，３−ペンタジエン、１，４−ペンタジエン、１，５−ヘキサジエン、２，４−ヘキサジエン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン等が含まれる。
【００３７】
アルキルまたはアルキレン置換芳香族化合物は、１個もしくは複数のアルキルまたはアルキレン置換基を含むことができる。これらの化合物は単環式（例えばフェニル）または多環式（例えばナフチル）を含むことができる。これらの化合物は、１〜約２０個の炭素原子を含有する１個または複数のアルキル基を含むアルキル置換芳香族化合物を含み、一実施形態において１〜約１８個の炭素原子、一実施形態において１〜約１６個の炭素原子、一実施形態において１〜約１４個の炭素原子、一実施形態において１〜約１２個の炭素原子、一実施形態において１〜約１０個の炭素原子、一実施形態において１〜約８個の炭素原子、一実施形態において約２〜約６個の炭素原子、一実施形態において約２〜約４個の炭素原子である。また、これらは、２〜約２０個の炭素原子を含有する１個または複数のアルキレン基を含むアルキレン置換芳香族化合物を含み、一実施形態において２〜約１８個の炭素原子、一実施形態において２〜約１６個の炭素原子、一実施形態において２〜約１４個の炭素原子、一実施形態において２〜約１２個の炭素原子、一実施形態において２〜約１０個の炭素原子、一実施形態において２〜約８個の炭素原子、一実施形態において約２〜約６個の炭素原子、一実施形態において約２〜約４個の炭素原子である。例には、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ヘミメリテン、プソイドクメン、メシチレン、プレーニテン、イソジュレン、ジュレン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、エチルベンゼン、ｎ−プロピルベンゼン、クメン、ｎ−ブチルベンゼン、イソブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン、ｐ−シメン、スチレン等が含まれる。
【００３８】
炭化水素反応物は、天然油、合成油、またはその混合物をさらに含むことができる。天然油は、動物油および植物油（例えばひまし油、ラード油）、ならびに液体石油などの鉱物油を含む。石炭またはシェール油から誘導された油を用いることができる。合成油には、重合および中間重合オレフィン、ポリフェニル、アルキル化ジフェニルエステル、アルキル化した硫化ジフェニル等などの炭化水素油が含まれる。酸化アルキレンポリマーおよび中間ポリマー、および熱的ヒドロキシル基がエステル化やエーテル化等によって修飾されたその誘導体は、炭化水素反応物として使用することのできる既知の他の種類の合成油を構成する。炭化水素反応物として有用な合成油は、ジカルボン酸と様々なアルコールとのエステルを含む。炭化水素反応物はポリ−α−オレフィンを含むことができる。炭化水素反応物は、フィッシャー−トロプシュ合成炭化水素を含むことができる。炭化水素反応物は、オイル精製の間に発生する方法蒸気、化学合成等から得ることができる。
【００３９】
炭化水素反応物は通常の液体炭化水素燃料をさらに含むことができる。これらは、自動車ガソリン、ディーゼル燃料または燃料油など蒸留燃料を含む。植物原料、鉱物原料、およびその混合物に由来する炭化水素反応物を使用することができる。これらは、大豆、菜種、ヤシ、頁岩、石炭、タール砂等から誘導された炭化水素反応物を含む。
【００４０】
酸素または酸素源は分子状酸素、空気または酸素源として機能することのできる窒素酸化物などの他の酸化物を含むことができる。酸素源は二酸化炭素、一酸化炭素または過酸化物（例えば過酸化水素）とすることができる。酸素と空気の混合物などの酸素を含む気体混合物、または酸素と不活性ガス（例えばヘリウム、アルゴン等）もしくは希釈ガス（例えば二酸化炭素、水蒸気等）との混合物を用いることができる。
【００４１】
酸素に対する炭化水素反応物中の炭素のモル比は、約１０：１〜約１：１の範囲とすることができ、一実施形態において約４：１〜約１：１、一実施形態において約２．４：１〜約１．６：１である。
【００４２】
熱交換流体は任意の流体とすることができる。これらは、空気、蒸気、液体水、気体窒素、液体窒素、不活性ガスを含む他のガス、一酸化炭素、溶融塩、鉱物油などの油、ならびにＤｏｗ−Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅから入手可能なＤｏｗｔｈｅｒｍ ＡおよびＴｈｅｒｍｉｎｏｌなどの熱交換流体を含む。
【００４３】
熱交換流体は１種または複数種の反応物蒸気を含むことができる。これは本方法の予備加熱を与えることができ、方法の全体的な熱効率を増加させる。
【００４４】
一実施形態において、熱交換チャネルは、吸熱反応が行われる方法チャネルを含む。これらの熱交換方法チャネルはマイクロチャネルとすることができる。熱交換チャネル中で行われる吸熱反応の例には、蒸気精製および脱水素反応を含む。マイクロチャネル反応器中の対流冷却の典型的な熱フラックスは、約１〜約１０Ｗ／ｃｍ２の程度である。熱放散を向上させるために吸熱反応を同時に組み込むと、典型的な熱フラックスをほぼ対流冷却熱フラックスを超える程度の大きさにすることができる。発熱反応と吸熱反応を同時に使用して、マイクロチャネル反応器中で熱交換を行うことは、２００２年８月１５日出願の米国特許出願第１０／２２２，１９６号に開示されており、参照により本明細書に組み込まれている。
【００４５】
一実施形態において、熱交換流体はそれが熱交換チャネルを通過すると相変化を行う。この相変化は、プロセスマイクロチャネルから対流冷却を超える追加の熱を除去する。蒸発される液体熱交換流体では、プロセスマイクロチャネルから伝達される追加の熱は、熱交換流体に必要な蒸発潜熱から由来するであろう。それらの相変化の例は、沸騰する油または水である。
【００４６】
本発明の方法中のプロセスマイクロチャネル１４０および１５０の冷却は、一実施形態において、それらの加えられた冷却が、より高い活性化エネルギーでの望ましくない並列反応による望ましくない副生成物の形成を低減しまたは排除するため、主要または望ましい生成物に向けて選択性を制御するのに有利である。この冷却の結果、一実施形態において、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０の入口での反応組成物の温度を、プロセスマイクロチャネルの出口で、生成物（または生成物と未反応反応物の混合物）の温度の約２００℃内にすることができ、一実施形態において約１５０℃内、一実施形態において約１００℃内、一実施形態において約５０℃内、一実施形態において約２５℃内、一実施形態において約１０℃内である。
【００４７】
マイクロチャネル反応器中で使用される触媒は、プロセスマイクロチャネル内に適合する任意のサイズと幾何形状を有することができる。触媒は、約１〜約１０００μｍの中心粒子直径を有する粒子状固体の形（例えばペレット、粉、繊維等）とすることができ、一実施形態において約１０〜約５００μｍ、一実施形態において約２５〜約２５０μｍである。触媒は発泡体、フェルト、ワッド、またはその組合せなどの多孔質構造体中に担持することができる。用語「発泡体」は、本明細書では構造全体の孔を画定する連続壁を備える構造を指す。用語「フェルト」は、本明細書ではその間に介在する空間を有する繊維の構造を指す。用語「ワッド（ｗａｄ）」は、本明細書では鋼ウールなどの絡み合った束の構造を指す。触媒はハニカム構造に担持することができる。
【００４８】
触媒は、隣接する間隙を有するフェルト、隣接する間隙を有する発泡体、間隙を有するフィン構造、挿入された任意の基材上のウォッシュコート、または流れに対応する間隙を有する、流れ方向に平行な金網（ｇａｕｚｅ）などの側流構造の形とすることができる。側流構造の例は図３に示される。図３において、触媒３００はプロセスマイクロチャネル３０２内に含まれる。開放通路３０４は、矢印３０６および３０８で示すように、流体がプロセスマイクロチャネル３０２を通って触媒３００に接触して流れることを可能にする。
【００４９】
触媒は、発泡体、ワッド、ペレット、粉、または金網などの貫通流構造とすることができる。貫通流構造の例は図４に示される。図４において、貫通流触媒４００はプロセスマイクロチャネル４０２内に含まれ、流体は矢印４０４および４０６で示すように触媒４００を通って流れる。
【００５０】
触媒は、プロセスマイクロチャネルの内壁に直接塗工することができ、溶液から壁上に成長させることができ、またはフィン構造にイン・シトゥーに塗工することができる。触媒は、単一の多孔質連続材料片、または物理的に接触した多数の片の形とすることができる。一実施形態において、触媒は連続材料からなり、分子が触媒を通って拡散できるように、連続多孔質である。この実施形態において、流体は触媒の周りではなくそれを貫通して流れる。一実施形態において、触媒の断面積はプロセスマイクロチャネルの断面積の約１〜約９９％であり、一実施形態において約１０〜約９５％である。触媒は、ＢＥＴで測定して約０．５ｍ２／ｇを超える表面積を有し、一実施形態において約２ｍ２／ｇを超える。
【００５１】
触媒は、多孔質担体と、多孔質担体上の界面層と、および界面層上の触媒材料とを含むことができる。界面層は担体上に溶液析出させることができ、あるいは化学蒸着、または物理的蒸着によって堆積させることができる。一実施形態において、触媒は多孔質担体と、緩衝層と、界面層と、触媒材料とを有する。前述の層のいずれも連続的、または斑点または点のように不連続的、または間隙もしくは孔を有する層の形とすることができる。
【００５２】
多孔質担体は、水銀多孔質計で測定して少なくとも約５％の空隙率、および平均孔サイズ（孔直径の総和を孔の数で除したもの）約１〜約１０００μｍを有することができる。多孔質担体は多孔質セラミックまたは金属発泡体とすることができる。他の使用することのできる多孔質担体は、炭化物、窒化物および複合材料を含む。多孔質担体は約３０％〜約９９％の空隙率を有することができ、一実施形態において約６０％〜約９８％である。多孔質担体は、発泡体、フェルト、ワッド、またはその組合せの形とすることができる。金属発泡体の開放セルはインチ当たり約２０穴（ｐｐｉ）〜約３０００ｐｐｉの範囲とすることができ、一実施形態において約２０〜約１０００ｐｐｉ、一実施形態において約４０〜約１２０ｐｐｉである。用語「ｐｐｉ」は、インチ当たりの孔の最大数を指す（等方性材料において測定の方向は関係しないが、異方性材料では、測定は孔数が最大になる方向で行われる）。
【００５３】
緩衝層は、存在すれば、多孔質担体と界面層とは異なる組成物および／または密度を有することができ、一実施形態において多孔質担体と界面層の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する。緩衝層は金属酸化物または金属炭化物とすることができる。緩衝層はＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、またはその組合せからなることができる。Ａｌ２Ｏ３はα−Ａｌ２Ｏ３、γ−Ａｌ２Ｏ３、またはその組合せとすることができる。α−Ａｌ２Ｏ３は、酸素拡散に対して優れた抵抗性の利点を提供する。緩衝層は２種またはそれ以上の組成物の異なる副層から形成することができる。例えば、多孔質担体が金属、例えばステンレス鋼発泡体であるとき、２種の組成物の異なる副層から形成された緩衝層を使用することができる。第１副層（多孔質担体に接触する）はＴｉＯ２とすることができる。第２副層はＴｉＯ２の上に配置されたα−Ａｌ２Ｏ３とすることができる。一実施形態において、α−Ａｌ２Ｏ３副層は下地金属表面を保護する高密度層である。次いで、アルミナなどの密度の低い大表面積の界面層を触媒活性層の担体として堆積することができる。
【００５４】
多孔質担体は、界面層の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有することができる。その場合、緩衝層は２種類の熱膨張係数の間に転移するために必要であろう。緩衝層の熱膨張係数は、その組成物を制御することによって微調整し、多孔質担体と界面層の膨張係数に適合性のある膨張係数を得ることができる。緩衝層は下地担体に対して優れた保護を提供するために開口部またはピンホールがあってはならない。緩衝層は非多孔質とすることができる。緩衝層は多孔質担体の平均孔サイズの１／２未満の厚さを有することができる。緩衝層は約０．０５〜約１０μｍの厚さを有することができ、一実施形態において約０．０５〜約５μｍである。
【００５５】
本発明の一実施形態において、緩衝層なしで十分な接着と化学的安定性を得ることができる。この実施形態において、緩衝層は省くことができる。
【００５６】
界面層は窒化物、炭化物、硫化物、ハロゲン化物、金属酸化物、炭素、またはその組合せを含むことができる。界面層は、大きな表面積を提供し、かつ／または担持触媒のための望ましい触媒−担体相互作用を提供する。界面層は触媒担体として従来使用される任意の材料からなることができる。界面層は金属酸化物からなることができる。使用することのできる金属酸化物の例には、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、酸化タングステン、酸化マグネシウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化スズ、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、ランタン族酸化物、ゼオライト、およびその組合せが含まれる。界面層は、その上にさらに他の触媒活性材料を堆積することなく触媒活性層として働くことができる。しかし、通常、界面層は触媒活性層と組合わせて使用される。界面層は２種またはそれ以上の組成物の異なる副層から形成することができる。界面層は多孔質担体の平均孔サイズの１／２未満の厚さを有することができる。界面層の厚さは約０．５〜約１００μｍの範囲とすることができ、一実施形態において約１〜約５０μｍである。界面層は結晶質または非晶質のいずれでもよい。界面層は少なくとも約１ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有することができる。
【００５７】
触媒は界面層上に堆積させることができる。代りに、触媒材料を界面層と同時に堆積させることができる。触媒層は界面層に緊密に分散することができる。触媒層が界面層上に「分散される」または「堆積させる」ことは、微視的触媒粒子が、担体層（すなわち界面層）表面、担体層の亀裂中、担体層の開放孔中に分散される従来の解釈を含む。
【００５８】
触媒はプロセスマイクロチャネルの各々の内部に配置することのできる１個または複数のフィンの組立体上に担持することができる。例は図５〜図７に示される。図５を参照すれば、フィン組立体５００は、プロセスマイクロチャネル５０８の基底壁５０６を覆うフィン担体５０４上に搭載されたフィン５０２を含む。フィン５０２はフィン担体５０４からプロセスマイクロチャネル５０８の内部へ突出する。フィン５０２はプロセスマイクロチャネル５０８の上部壁５１０の内部表面に展延して接触する。フィン５０２の間のフィンチャネル５１２は、流体がプロセスマイクロチャネル５０８の長さ方向に平行に流れるための通路を提供する。フィン５０２の各々はその側部の各々に外部表面を有し、この外部表面は触媒の支持基盤を提供する。本発明の方法では、反応組成物はフィンチャネル５１２を通って流れ、フィン５０２の外部表面に担持触媒と接触し、反応して生成物を形成する。図６に示したフィン組立体５００ａは、フィン５０２ａがマイクロチャネル５０８の上部壁５１０の内部表面まで完全に展延しないことを除いて、図５に示したフィン組立体５００と類似している。図７に示したフィン組立体５００ｂは、フィン組立体５００ｂのフィン５０２ｂが台形の断面形状を有することを除いて、図５に示したフィン組立体５００と類似している。フィンの各々は約０．０２ｍｍからプロセスマイクロチャネル５０８の高さまでの範囲の高さを有することができ、一実施形態において約０．０２〜約１０ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約２ｍｍである。各フィンの幅は約０．０２〜約５ｍｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．０２〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約１ｍｍである。各フィンの長さは、プロセスマイクロチャネル５０８の長さまでの任意の長さとすることができ、一実施形態において約５ｍｍ〜約５００ｃｍ、一実施形態において約１ｃｍ〜約２５０ｃｍ、一実施形態において約１ｃｍ〜約１００ｃｍ、一実施形態において約２ｃｍ〜約２５ｃｍである。各フィンの間の間隔は任意の値とすることができ、約０．０２〜約５ｍｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．０２〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約１ｍｍである。プロセスマイクロチャネル５０８中のフィンの数は、プロセスマイクロチャネル５０８の幅のセンチメートル当たり約１〜約５０フィンの範囲とすることができ、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約３０フィン、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約１０フィン、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約５フィン、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約３フィンである。フィンの各々は図５および図６に示すような矩形または正方形、もしくは図７に示すような台形の形状の断面を有することができる。その長さに沿って見たとき、各フィンは、直線、テーパー付き、または蛇行形状を有することができる。フィンは、プロセスマイクロチャネルに意図された動作を可能にする、十分な強度、寸法安定性、および熱伝達特性を提供する任意の材料から形成することができる。これらの材料は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼等）、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の前述の金属の合金、ポリマー（例えば熱硬化性樹脂）、セラミック、ガラス、１種または複数種のポリマー（例えば熱硬化樹脂）およびファイバーグラスを含む複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せを含む。フィンは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙを含む合金などＡｌ２Ｏ３形成材料、またはＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅの合金などのＣｒ２Ｏ３形成材料から作製することができる。
【００５９】
触媒は、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、もしくはその酸化物、またはその２種以上の混合物を含むことができる。前述の１種または複数種に基づく部分酸化触媒は、米国特許第５，６４８，５８２号、および第６，４０９，９４０Ｂ１号、米国特許出願第２００２／０００４４５０Ａ１号、第２００２／００１２６２４Ａ１号、および第２００２／０１１５７３０Ａ１号、ＰＣＴ国際公開ＷＯ９９／４８８０５、ＷＯ０１／８０９９２Ａ２、およびＷＯ０２／０６６４０３Ａ１、ならびに欧州特許出願ＥＰ０６４０５６１Ａ１、ＥＰ０７２５０３８Ａ１、およびＥＰ０７４１１０７Ａ１に開示されている。これらの触媒は、任意の形状、または上述の任意の担体構造に担持された形とすることができる。
【００６０】
部分酸化触媒は、米国特許第５，６４８，５８２号に開示されているセラミック担体上に堆積させた白金またはその酸化物を含むことができ、これは参照により本明細書に組み込まれている。
【００６１】
部分酸化触媒は、スピネル、ペロブスカイト、酸化マグネシウム、パイロクロア、ブラウンミラーライト、リン酸ジルコニウム、マグネシウム安定化ジルコニア、ジルコニア安定化アルミナ、シリコンカーバイド、イットリウム安定化ジルコニア、カルシウム安定化ジルコニア、イットリウムアルミニウムガーネット、アルミナ、コージェライト、ＺｒＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ、ＳｉＯ２、もしくはＴｉＯ２から作製された担体構造上に堆積させたニッケルおよびロジウム、またはその酸化物を含むことができる。これらは米国特許第６，４０９，９４０Ｂ１号に開示され、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６２】
部分酸化触媒は、米国特許第２００２／０１１５７３０Ａ１号に開示されているように、ランタニドを助触媒とするロジウム触媒を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６３】
部分酸化触媒は、米国特許第２００２／００１２６２４Ａ１号に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ、またはＮｉ−Ｒｈ合金を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６４】
部分酸化触媒は、米国特許第２００２／０００４４５０Ａ１号に開示されているように、セラミック酸化物繊維上に担持されたロジウム、ニッケル、クロム、またはその組合わせを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６５】
部分酸化触媒は、ＰＣＴ国際公開ＷＯ９９／４８８０５に開示されているように、耐火酸化物担体上に担持されたロジウムを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６６】
部分酸化触媒は、ＰＣＴ国際公開ＷＯ０１／８０９９２Ａ２に開示されているように、ロジウム金網、またはロジウムフェルトを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６７】
部分酸化触媒は、ＰＣＴ国際公開ＷＯ０２／０６６４０３Ａ１に開示されているように、ロジウム−スピネル触媒を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６８】
部分酸化触媒は、欧州特許ＥＰ０６４０５６１Ａ１に開示されているように、少なくとも２種類のカチオンを有する耐火酸化物上に担持されたＶＩＩＩ族金属（例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６９】
部分酸化触媒は、欧州特許ＥＰ０７２５０３８Ａ１に開示されているように、層状ヒドロタルサイト型構造を有するロジウムおよび／またはルテニウムを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００７０】
部分酸化触媒は、欧州特許ＥＰ０７４１１０７Ａ２に開示されているように、ニッケル系触媒またはルテニウム系触媒を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００７１】
部分酸化触媒は、式
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ （Ｉ）
で表される組成物を含むことができ、
式（Ｉ）中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、一実施形態において０．０１〜約１であり、ｂは０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、一実施形態において０〜約０．２であり、ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、一実施形態において約０．０１〜約０．２であり、ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、一実施形態において約０．１〜約０．９であり、ｘは存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数であり、触媒は基材上に被覆され、または発泡体、フェルト、ワッドもしくはフィン上に担持される一実施形態においてＭ１はＲｈまたはＮｉであり、一実施形態においてそれはＲｈである。一実施形態においてＭ３はＬａまたはＭｇであり、一実施形態においてそれはＬａである。一実施形態において触媒は式Ｒｈ／ＬａＡｌ１１Ｏ１８またはＲｈ／ＬａＡｌＯ３によって表すことができる。
【００７２】
一実施形態において、式（Ｉ）で表される触媒を作製する方法は、
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３の層を天然の酸化物層に塗工して被処理担体構造を形成するステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）で形成した焼成され担体構造の表面に助触媒または安定剤を塗工するステップであって、助触媒または安定剤がＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその酸化物もしくは硝酸塩、あるいはその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で形成した焼成担体構造の表面に触媒金属またはその酸化物もしくは硝酸塩を塗工するステップであって、触媒金属がＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｆ）ステップ（Ｅ）で形成した被処理担体構造を焼成して担体構造を形成するステップとを含む。一実施形態において、ステップ（Ｆ）で形成された触媒は水素中で還元することができる。
【００７３】
担体構造は、鋼、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の前述の金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーおよびファイバーグラスを含む複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せを含む材料から作製することができる。一実施形態において、担体構造はＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＹを含む合金から作製することができ、天然酸化物層はＡｌ２Ｏ３を含むことができる。一実施形態において、担体構造はＮｉ、Ｃｒ、およびＦｅを含む合金から作製することができ、天然の酸化物層はＣｒ２Ｏ３を含むことができる。一実施形態において、助触媒または安定剤はＬａまたはＭｇとすることができ、一実施形態においてそれはＬａである。一実施形態において、触媒金属はＲｈまたはＮｉであり、一実施形態においてそれはＲｈである。
【００７４】
担体構造は、ステップ（Ａ）の前に約３００℃〜約１４００℃の範囲の温度に加熱することができ、一実施形態において約７００〜約１２００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。担体構造が金属から作製されるとき、この熱処理ステップは担体構造の表面に天然の酸化物層を有利に提供する。
【００７５】
ステップ（Ａ）の間に、Ａｌ２Ｏ３を含むスラリーまたはＡｌ２Ｏ３を含むコロイド分散液（すなわちゾル）を天然酸化物層の上に塗工することができる。スラリーは、約１〜約５０重量％のＡｌ２Ｏ３、約２０重量％までのＺｒＯ２、約２５重量％までのＬａ（ＮＯ３）・６Ｈ２Ｏを含むことができ、残りは水である。スラリー被覆は約１０〜約１００ミクロンの厚さを有することができる。コロイド分散液は、約１重量％〜約３０重量％のＡｌ２Ｏ３を含むことができ、残りは水である。コロイド分散液被覆は約１〜約５０ミクロンの厚さを有することができる。
【００７６】
ステップ（Ｂ）の間に、被処理担体構造は空気中約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で焼成することができ、一実施形態において約３００〜約７００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。
【００７７】
ステップ（Ｃ）の間に、Ｌａ（ＮＯ３）３を含む溶液を焼成した担体構造の表面に塗工することができる。
【００７８】
ステップ（Ｄ）の間に、被処理担体構造は空気中約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で焼成することができ、一実施形態において約５００〜約１１００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。
【００７９】
ステップ（Ｅ）の間に、Ｒｈ（ＮＯ３）３を含む組成物を焼成した担体構造の表面に塗工することができる。
【００８０】
ステップ（Ｆ）の間に、被処理担体構造は空気中約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で焼成することができ、一実施形態において約４００〜約１１００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。
【００８１】
燃焼触媒は任意の燃焼触媒を含むことができる。これらは、例えばＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉなどの貴金属、任意のこれらの金属の酸化物、ペロブスカイトおよびアルミン酸塩を含む。一実施形態において、燃焼触媒はＣｅ、Ｔｂ、またはＰｒ、それらの酸化物、およびその組合せなどの増感助触媒を伴う。一実施形態において、助触媒元素は活性触媒元素または複数の活性触媒元素に比較して少なくとも約１：１のモル比で存在し、一実施形態において助触媒元素は活性触媒元素に比較して約０．５：１〜約１０：１のモル比（助触媒モル：活性触媒元素モル）の範囲で存在する。これらの触媒は任意の形状または上述の任意の担体構造に担持することができる。
【００８２】
プロセスマイクロチャネル内での反応物および／または生成物と触媒との接触時間は、約５００ミリ秒までの範囲とすることができ、一実施形態において約０．１ｍｓから約５００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約４００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約３００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約２００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約１００ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約７５ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約５０ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約２５ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約１０ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約５ｍｓである。
【００８３】
反応組成物および生成物がプロセスマイクロチャネルを流れる空間速度（またはガスの時間当たり空間速度）は、少なくとも約１００ｈｒ−１（炭化水素のノーマルリットル／時間／反応室のリットル）または少なくとも約１００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）である。空間速度は、プロセスマイクロチャネルの容積基準で約１００〜約２，０００，０００ｈｒ−１または約１００〜約２，０００，０００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）の範囲とすることができる。空間速度は、一実施形態において約５００〜約１，０００，０００ｈｒ−１または約５００〜約１，０００，０００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）の範囲とすることができ、一実施形態において約１０００〜約１，０００，０００ｈｒ−１または約１０００〜約１，０００，０００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）の範囲である。
【００８４】
プロセスマイクロチャネルに入る反応組成物の温度は、約２００℃〜約１０００℃の範囲とすることができ、一実施形態において約１５０℃〜約７００℃、一実施形態において約１５０℃〜約６００℃、一実施形態において約２００℃〜約６００℃である。一実施形態において、温度は約１５０℃〜約５００℃の範囲とすることができ、一実施形態において約１５０℃〜約４００°、一実施形態において約２００℃〜約３００°である。一実施形態において温度は約３３５℃〜約１０００℃の範囲とすることができる。
【００８５】
プロセスマイクロチャネル内の反応組成物および生成物の温度は約１１５０℃までの温度範囲とすることができ、一実施形態において約１１００℃まで、一実施形態において約１０５０℃まで、一実施形態において約１０００℃まで、一実施形態において約９５０℃まで、一実施形態において約９００℃まで、一実施形態において約８５０℃まで、一実施形態において約８００℃まで、一実施形態において約７５０℃まで、一実施形態において約７００℃までである。
【００８６】
プロセスマイクロチャネルに入る反応組成物の圧力は、少なくとも約０．１気圧とすることができ、一実施形態において少なくとも約０．５気圧である。一実施形態において、圧力は約０．１〜約１００気圧の範囲とすることができ、一実施形態において約０．５〜約５０気圧、一実施形態において約１〜約４０気圧、一実施形態において約１〜約３５気圧である。
【００８７】
反応物および／または生成物がプロセスマイクロチャネルを通過する際の反応物および／または生成物の圧力降下は、プロセスマイクロチャネルの長さ１メートル当たり約２気圧（気圧／ｍ）までの範囲とすることができ、一実施形態において約１気圧／ｍまで、一実施形態において約０．５気圧／ｍまで、一実施形態において約０．２気圧／ｍまでである。
【００８８】
プロセスマイクロチャネルを通過する反応組成物および／または生成物の流れは、層流または過渡流（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）とすることができ、一実施形態において層流である。プロセスマイクロチャネルを通過する反応組成物および／または生成物の流れのレイノルド（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）数は、約４０００までとすることができ、一実施形態において約２３００、一実施形態において約１０〜約２０００の範囲、一実施形態において約１００〜約１５００である。
【００８９】
熱交換チャネルに入る熱交換流体の温度は約−７０℃〜約６５０℃とすることができ、一実施形態において約０℃〜約５００℃、一実施形態において約１００℃〜約３００℃である。熱交換チャネルを出る熱交換流体の温度は約−６０℃〜約６３０℃とすることができ、一実施形態において約１０℃〜約４９０℃である。熱交換チャネル中の熱交換流体の滞留時間は、約１〜約１０００ｍｓの範囲とすることができ、一実施形態において約１〜約５００ｍｓ、一実施形態において約１〜約１００ｍｓである。熱交換流体が熱交換チャネルを通過する際の熱交換流体の圧力降下は、約０．０５〜約５０ｐｓｉ／ｆｔの範囲とすることができ、一実施形態において約１〜約２５ｐｓｉ／ｆｔである。熱交換チャネルを通過する熱交換流体の流れは、層流または過渡流とすることができ、一実施形態において層流である。熱交換チャネルを通過する熱交換流体の流れのレイノルド数は、約４０００までとすることができ、一実施形態において約２３００、一実施形態において約１０〜約２０００の範囲、一実施形態において約１０〜約１５００である。
【００９０】
マイクロチャネル反応器を出る生成物の温度は、約１００℃〜約１０００℃の範囲とすることができ、一実施形態において約２００℃〜約８００℃、一実施形態において約３００℃〜約６００℃である。生成物は約５〜約１００ｍｓで約５０℃〜約３００℃、一実施形態において約５０℃〜約２００℃、一実施形態において約５０℃〜約１５０℃、一実施形態において約５０℃〜約１００℃の範囲の温度に、一実施形態においては約５〜約７５ｍｓで、一実施形態においては約５〜約５０ｍｓで、一実施形態においては約１０〜約５０ｍｓで冷却することができる。
【００９１】
本発明の方法の利点は、炭化水素反応物、酸素または酸素源、および触媒の間の接触が最大化されることと、望ましくない反応を最小化することを含む。
【００９２】
本発明の方法の利点は工程を強化できることである。従来技術の従来の工程は暴走反応を防止するために、しばしば反応物を希釈した条件で運転されるが、本発明の工程は、所望であれば、さらに強化条件で運転することができ、処理量がより多くなる。触媒マイクロチャネル加工と熱交換を組み合わせることによって、従来では高い温度と選択性を失うであろうが、熱交換によって急速に熱を取り除くことによって、プロセスマイクロチャネル中の温度を比較的低く、例えば約７００度以下、一実施形態において約６００℃以下、一実施形態において約５００℃以下に維持することのできる、炭化水素供給／酸素の比で運転することが可能であり、したがって所望の生成物への選択性を最大化することができる。
【００９３】
本発明の方法の利点は、マイクロチャネル反応器の寸法のため反応の選択性が高められることを含む。従来寸法の反応器では、ガス相中で均一に進む反応が生成物の総生成量に大きく貢献する。これらの反応は、無差別に起きやすく、しばしばＣＯやＣＯ２、または炭化水素の熱分解生成物などの望ましくない副生成物を招く。例えば、反応混合物がプロパンを含むならば、熱分解同様に全体または部分酸化が起きてエタンとメタンを生成する。
【００９４】
炭化水素反応物の変換レベルは、約５０％またはそれよりも高くすることができ、一実施形態において約６０％またはそれよりも高く、一実施形態において約７０％またはそれよりも高く、一実施形態において約８０％またはそれよりも高い。
【００９５】
所望の生成物の選択性のレベルは、約３０％またはそれよりも高くすることができ、一実施形態において約５０％またはそれよりも高く、一実施形態において約６０％またはそれよりも高く、一実施形態において約７０％またはそれよりも高く、一実施形態において約８０％またはそれよりも高く、一実施形態において約８５％またはそれよりも高く、一実施形態において約９０％またはそれよりも高く、一実施形態において約９５％またはそれよりも高い。一実施形態において、所望の生成物への選択性のレベルは約５０％〜約９５％の範囲とすることができ、一実施形態において約７５％〜約９５％である。
【００９６】
所望の生成物の収率はサイクル当たり約９％またはそれよりも高くすることができ、一実施形態においてサイクル当たり約２０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約４０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約５０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約７０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約８０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約９０％またはそれよりも高い。用語「サイクル」は、本明細書において反応物のプロセスマイクロチャネルへの１回の通過を指す。
【００９７】
一実施形態において、炭化水素反応物の変換レベルは、サイクル当たり少なくとも約３０％であり、所望の生成物の選択性のレベルは少なくとも約３０％であり、所望の生成物の収率はサイクル当たり少なくとも約９％である。
【００９８】
一実施形態において、方法は並列で運転される複数の熱交換チャネルを含む反応器中で行われ、熱交換チャネルを流れる熱交換流体の全圧力降下は約１０気圧までであり、一実施形態において約５気圧までであり、一実施形態において約２気圧までである。
【実施例１】
【００９９】
Ｌａ２Ｏ３で安定化したＡｌ２Ｏ３は以下のゾル−ゲル技術を用いて合成される。２４．７ｇのアルミニウムブトキシドをビーカー中で７４．５ｇの２−ブタノールに一定に攪拌しながら溶解する。もう１個のビーカー中で、４．０ｇのＬａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを５９．７ｇのエタノールに一定に攪拌しながら溶解する。２つの溶液を混合し、１５分間攪拌する。続いて４．４ｇの脱イオンＨ２Ｏを混合物にゆっくり加える。得られた溶液を８０〜１００℃に加熱し、この温度で２時間保つ。この間にアルコールを蒸発させる。得られる固体を１２０℃で一夜乾燥し、４℃／分の昇温および冷却速度で空気中で２４時間１０００℃で焼成する。得られる材料は２２重量％のＬａ２Ｏ３と７８重量％のＡｌ２Ｏ３を有する。そのＢＥＴ表面積および孔容積はそれぞれ６４ｍ２／ｇおよび０．３５ｃｍ３／ｇである。固体を粉砕し８８〜１５０ミクロンの粒子を触媒担体として選別する。
【０１００】
Ｒｈ／Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３触媒を以下のようにして初期湿式含浸によって調製する。０．９６ｇの１０重量％Ｒｈ（ＮＯ３）３溶液を０．８ｇのＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３粒子に滴下する。１２０℃で１時間乾燥した後、サンプルを３．５℃／分の昇温および冷却速度で、５００℃で１時間空気中で焼成する。この含浸方法は１回繰り返す。触媒を８００℃で１時間焼成する。Ｒｈ装填は８．０重量％である。
【０１０１】
３０ｍｇの触媒を管反応器に装填してメタン活性度の部分酸化を試験する。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）を含み、毎分３．４標準リットル（ＳＬＰＭ）である。ガスの毎時空間速度（ＧＨＳＶ）は５．８×１０６ｈ−１である。ＣＨ４変換は、メタン流量の反応前後の差から計算される。ＣＯ選択性は［ＣＯ］／（［ＣＯ］＋［ＣＯ２］）で得られ、Ｈ２選択性は［Ｈ２］／（［Ｈ２］＋［Ｈ２Ｏ］）で計算される。７００℃の管の外皮温度で、８８％のＣＨ４変換、９７％のＣＯ選択性、および９１％のＨ２選択性が得られる。Ｏ２変換は１００％である。
【実施例２】
【０１０２】
Ｌａ２Ｏ３で安定化したＡｌ２Ｏ３は以下のゾル−ゲル技術を用いて合成された。２４．７ｇのアルミニウムブトキシドをビーカー中で７４．５ｇの２−ブタノールに一定に攪拌しながら溶解する。もう１個のビーカー中で、４．０ｇのＬａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを５９．７ｇのエタノールに一定に攪拌しながら溶解する。２つの溶液を混合し、１５分間攪拌する。続いて４．４ｇの脱イオンＨ２Ｏを混合物にゆっくり加える。得られた溶液を８０〜１００℃に加熱し、この温度で２時間保つ。この間にアルコールを蒸発させる。得られる固体を１２０℃で一夜乾燥し、４℃／分の昇温および冷却速度で空気中で２４時間１０００℃で焼成する。得られる材料は２２重量％のＬａ２Ｏ３と７８重量％のＡｌ２Ｏ３を有する。そのＢＥＴ表面積および孔容積はそれぞれ６４ｍ２／ｇおよび０．３５ｃｍ３／ｇである。固体を粉砕し８８〜１５０ミクロンの粒子を触媒担体として選別する。
【０１０３】
Ｒｈ／Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３触媒を以下のようにして初期湿式含浸によって調製する。０．９６ｇの１０重量％Ｒｈ（ＮＯ３）３溶液を０．８ｇのＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３粒子に滴下する。１２０℃で１時間乾燥した後、サンプルを３．５℃／分の昇温および冷却速度で、５００℃で１時間空気中で焼成する。この含浸方法は１回繰り返す。触媒を１０００℃で１時間焼成する。Ｒｈ装填は８．０重量％である。
【０１０４】
３０ｍｇの触媒を管反応器に装填してメタン活性度の部分酸化を試験する。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は３．４ＳＬＰＭで２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）を含む。ＧＨＳＶは５．８×１０６ｈ−１である。管の外皮の温度は７００℃である。９０％のＣＨ４変換、９７％のＣＯ選択性、および８７％のＨ２選択性が得られる。Ｏ２変換は１００％である。方法は２６０時間行われる。結果を図８に示す。
【０１０５】
これらの試験結果はこの触媒が非常に安定であることを示す。図８に示すように、ＣＨ４変換、ＣＯ選択性、およびＨ２選択性は２６０時間の経過時間中実質上変化しない。これらの結果はＲｈ／Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３触媒が、極めて高い空間速度で、メタンのＣＯとＨ２への部分酸化において非常に活性が高いことを示す。
【実施例３】
【０１０６】
図７は、プロセスマイクロチャネル中で部分酸化反応方法を行うために有用なフィンの幾何形状を示す。フィンの台形形状はフィンの基底に機械的な剛性を与える。フィンのすべては矩形の基底上に支持され、フィンの熱伝達特性を高める。フィンはワイヤＥＤＭ法を用いてＦｅＣｒＡｌＹから作製される。次の表はフィンの寸法をまとめたものである。
【表１】
【０１０７】
Ａｌ２Ｏ３スラリーは７．２ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉、１２ｇの脱イオンＨ２Ｏ、および４２ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを混合することによって調製される。ｐＨ値は硝酸を用いて３．５〜４に調節する。Ａｌ２Ｏ３は酸性γＡｌ２Ｏ３であり、１５０マイクロメートルより小さな粉に粉砕する。混合物を８時間ボールミルで粉砕する。０．８ｇの２５重量％Ａｌ２Ｏ３ゾル（Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）を４．２ｇのスラリーに攪拌しながら加える。
【０１０８】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温に冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液で２０分間超音波をかけて洗浄する。次いでフィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成の後、高密度Ａｌ２Ｏ３層が形成される。Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。Ａｌ２Ｏ３スラリーは浸漬によってフィン上にウォッシュコートされる。過剰のスラリーは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥され、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。表面のＬａ２Ｏ３はＡｌ２Ｏ３を安定化する。スラリーの装填はフィン当たり２５．４ｍｇである。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンに担持された、得られる触媒は１２０℃で１時間乾燥し、次いで１０００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり４．８ｍｇである。
【０１０９】
フィンに担持された触媒は、ペレットで、メタンの１気圧での合成ガスへの部分酸化について試験する。ペレットは直径０．５インチ、長さ２インチの円筒状の金属棒である。ペレットは、中心に矩形のマイクロチャネル切断部を有する。切断部はその内部軸に沿って棒の長さ全体を展延する。切断部は０．０５インチの高さおよび０．１８インチの幅を有する。担持触媒を試験のため切断部に置く。切断部の両側に気密性接続を設ける。反応物は配管から切断部へ流入し、切断部を通ってフィンに担持された触媒と接触する。ペレットは炉中に置かれる。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８５０℃に保つように昇温される。炉の入口の供給流の温度は室温であり、ペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下はＣａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定される。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンに担持された触媒の性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。
ＣＨ４変換（％）＝（ＶＣＨ４，ｉｎ−ＶＣＨ４，ｏｕｔ）／（ＶＣＨ４，ｉｎ）×１００
Ｈ２選択性（％）＝（ＶＨ２，ｏｕｔ測定値）／（ＶＨ２，ｏｕｔ理論値）×１００
ＣＯ選択性（％）＝（ＶＣＯ，ｏｕｔ）／（ＶＣＯ２，ｏｕｔ＋ＶＣＯ２，ｏｕｔ）×１００
【０１１０】
触媒を使用する前にＨ２で４００℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量２０３０ｍｌ／分である（標準条件）。接触時間は３．３ｍｓである。接触時間は容積流量に対するフィンのないペレット中の流れ容積の比として定義される。以下の表はフィンに担持された触媒の１５７時間運転後の性能を示す。
【表２】
【実施例４】
【０１１１】
部分酸化反応方法に使用する代替のフィンは圧力降下を少なくする利点を提供する。流動面積はフィンの数を低減することによって増加する。フィン支持対から突出する５個のフィンがある。フィンは図７に示すように台形断面を有する。フィンの台形形状と共にフィンの厚さはフィンの基底で機械的な剛性を提供する。フィンは矩形の担体または基底部に支持されフィンの熱伝達特性を高める。フィンはＦｅＣｒＡｌＹから作られる。フィンはワイヤＥＤＭ法によって作製される。以下の表にフィンの寸法をまとめる。
【表３】
【０１１２】
Ａｌ２Ｏ３スラリーは７．２ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉、１２ｇの脱イオンＨ２Ｏ、および４２ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを混合することによって調製される。ｐＨ値は硝酸を用いて３．５〜４に調節する。Ａｌ２Ｏ３は酸性γＡｌ２Ｏ３であり、１５０マイクロメートルより小さな粉に粉砕される。混合物を８時間ボールミルで粉砕する。０．８ｇの２５重量％Ａｌ２Ｏ３ゾル（Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）を４．２ｇのスラリーに攪拌しながら加える。
【０１１３】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温に冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。Ａｌ２Ｏ３スラリーが浸漬によってフィン上にウォッシュコートされる。過剰のスラリーは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってスラリーを被覆したフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。スラリーの装填はフィン当たり６．０ｍｇである。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで１０００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり１．０ｍｇである。
【０１１４】
得られるフィンに担持された触媒を、実施例３に述べたペレットで、メタンの１気圧での合成ガスへの部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８０５℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下は、入口と出口の圧力の間の差である。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。以下の表に１１５時間の運転後のフィンの触媒性能をまとめる。
【表４】
【実施例５】
【０１１５】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンは鋸切断法によって作製され、触媒性能が試験される。以下の表にフィンの寸法をまとめる。
【表５】
【０１１６】
Ａｌ２Ｏ３スラリーは７．２ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉、１２ｇの脱イオンＨ２Ｏ、および４２ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを混合することによって調製される。ｐＨ値は硝酸を用いて３．５〜４に調節する。Ａｌ２Ｏ３は酸性γＡｌ２Ｏ３であり、１５０マイクロメートルより小さな粉に粉砕される。次いで、混合物を８時間ボールミルで粉砕する。０．８ｇの２５重量％Ａｌ２Ｏ３ゾル（Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）を４．２ｇのスラリーに攪拌しながら加える。
【０１１７】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温に冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液で２０分間超音波をかけて洗浄する。次いで、フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。Ａｌ２Ｏ３スラリーが浸漬によってフィン上にウォッシュコートされる。過剰のスラリーは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってスラリーを被覆したフィン上に含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。スラリーの装填はフィン当たり１８．７ｍｇである。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで１０００℃で４時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり３．２ｍｇである。
【０１１８】
得られるフィンに担持された触媒を、実施例３に述べたペレットで、メタンの１気圧での部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。触媒は使用する前にＨ２で４００℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量（標準条件）２３７２ｍｌ／分である。接触時間は３．３である。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８５０℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下はＣａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定される。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。以下の表に、担持触媒の４００時間運転後の性能をまとめる。
【表６】
【実施例６】
【０１１９】
実施例５のフィンと同じ寸法を有するフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温まで冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液中で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成後、高密度のＡｌ２Ｏ３層が形成される。Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。Ａｌ２Ｏ３ゾル（２５重量％、Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）が浸漬によってフィン上に被覆される。過剰のゾルは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。ゾル被覆方法はフィン当たり１７ｍｇのＡｌ２Ｏ３装填が達成されるまで３〜４回繰り返す。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥され、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで５００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ（ＮＯ３）３溶液被覆は１回繰り返し、フィンを１０００℃で４時間焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり５．２ｍｇである。
【０１２０】
得られるフィンに担持された触媒を、実施例３に述べたペレットを用いて、メタンの１気圧での合成ガスへの部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量（標準条件）２３６１ｍｌ／分であった。接触時間は３．３ｍｓである。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８００℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下はＣａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定される。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。以下に、フィンに担持された触媒の６００時間定常運転後の性能を示す。
【表７】
【０１２１】
前述のフィンに担持された触媒をｎ―ブタンとＣＨ４の燃料混合物で試験する。供給ガスは、７．２％のＣＨ４、７．２％のｎ−ブタン、および８５．６％の空気を含み、総流量２０９１ｍｌ／分である。４カラムガスクロマトグラフを用いて出口ガス組成物の分析を行う。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８００℃に保つように調節される。フィンに担持された触媒の３００時間運転後の性能を以下にまとめる。
【表８】
【実施例７】
【０１２２】
実施例３のフィンと同じ寸法を有するフィンをイソプロパノール中で超音波をかけて２０分間洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温まで冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液中で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成後、高密度のＡｌ２Ｏ３層が形成される。Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。Ａｌ２Ｏ３ゾル（２５重量％、Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）が浸漬によってフィン上に被覆される。過剰のゾルは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。ゾル被覆方法はフィン当たり２２ｍｇのＡｌ２Ｏ３装填が達成されるまで４〜５回繰り返す。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、１０００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり１．５ｍｇである。
【０１２３】
得られるフィンに担持された触媒は、実施例３に述べたペレットを用いて、メタンの１気圧でのＣＯとＨ２への部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量（標準条件）２０３０ｍｌ／分である。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８５０℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。接触時間は３．３ｍｓである。ペレット中の圧力降下は、Ｃａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定して３．７ｐｓｉである。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。図９に結果を示す。
【０１２４】
試験結果は、この触媒が安定であることを示す。図９に示すように、ＣＨ４変換、ＣＯ選択性、およびＨ２選択性は８４０時間の経過時間中実質上変化しない。
【実施例８】
【０１２５】
溶接したインコネル反応器を作製してメタン燃焼性能を試験する。反応器は燃焼用の２個の平行なチャネルを含む。各チャネルは幅０．１６０インチ、および高さ０．０２５インチである。反応器の長さは７．００インチである。チャネルはチャネル間の０．０６０インチのリブで分離される。燃焼チャネルの一方の側に、同一の１対のチャネル（空気チャネルと呼ぶ）を配置し、燃料の燃焼に必要な空気が流れる。燃焼チャネルおよび空気チャネルは、反応器の長さに沿って間隔を置く１２個の円形オリフィス（直径０．０１２インチ）を有するオリフィスプレートによって分離され、燃料に空気を分配する。オリフィスは不均一な間隔を置き、燃焼チャネルへ空気を分配する。第１オリフィスは反応器の始まりに配置される。後続のオリフィスは、第１オリフィスから０．２５２インチ、０．５５５インチ、０．９０５インチ、１．３０４インチ、１．７５１インチ、２．２４８インチ、２．７９４インチ、３．３９３インチ、４．０４７インチ、４．７６０インチ、５．５２８インチの距離に配置される。燃焼チャネルの他の側には、単一の熱交換チャネルが配置され、燃焼熱放散として機能する流体を輸送する。チャネルは幅０．３８０インチおよび高さ０．０１２インチである。チャネルの長さは燃焼チャネルの長さと同じである。異なるチャネルの配置を図１０に示す。
【０１２６】
燃焼チャネルは溶液コーティングで燃焼触媒が被覆される。デバイスは最初に空気中で１０００℃１時間焼成して表面にクロミア層を形成する。加熱および冷却速度は３．５℃／分である。続いて、５．７重量％のＰｄ（ＮＯ３）２および４３重量％のＣｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを含む溶液をチャネルにドーピングする。過剰の溶液は圧縮空気で吹き払う。次いで被覆されたチャネルを１００℃で１時間乾燥する。Ｐｄ被覆方法は２回繰り返す。次いで、被覆されたチャネルを空気中で８５０℃１時間焼成する。
【０１２７】
燃焼に用いる燃料はメタンである。燃焼チャネルへのメタンの総流量は毎分１．０標準リットル（ＳＬＰＭ）である。空気チャネル中の総空気流量は１１．５ＳＬＰＭである。空気はそれを燃料と混合する前に反応器温度まで予備加熱される。蒸気メタン精製反応によって熱放散が提供される。放散チャネル（ＳＭＲチャネルと呼ぶ）は蒸気メタン精製（ＳＭＲ）触媒で被覆される。１．０９ＳＬＰＭおよび２．６３ｃｃの水蒸気の混合物をＳＭＲチャネルに流す。ＳＭＲチャネルの流れの入口温度は８００℃〜８５０℃である。燃焼チャネルの平均温度は８５０℃〜９２５℃である。燃焼チャネルの容積に基づく接触時間は４．４ｍｓである。燃焼チャネル中のメタン変換は、
ＣＨ４変換（％）＝（ＶＣＨ４，ｉｎ−ＶＣＨ４，ｏｕｔ）／（ＶＣＨ４，ｉｎ）×１００
で計算される。燃焼触媒については、メタン変換は平均温度８６２℃で３０．６％である。このデバイスでは、平均９．３Ｗ／ｃｍ２がＳＭＲ反応へ伝達される。燃焼チャネル中の圧力降下は２．５〜５．０ｐｓｉである。
【実施例９】
【０１２８】
他のインコネル反応器デバイスを作製し、担持された部分酸化触媒を用いて燃焼性能を試験する。デバイスは、総部分酸化および燃焼チャネルの長さを除いて、実施例８で用いたマイクロチャネル反応器と同じ燃焼チャネルおよび空気チャネル寸法を有する。図１１に示すフィンのような鋸歯状の金属シートが用いられる。２個のフィンが２個の部分酸化および燃焼チャネルの始まりに導入される。部分酸化および燃焼チャネルの総長さはフィンを収容するために８．５インチであり、フィンは長さ１．５インチ、後続の燃焼チャネルは長さ７インチである。フィンはＦｅＣｒＡｌＹから作られる。フィンの寸法を以下の表にまとめる。
【表９】
【０１２９】
フィンはメタンを燃焼前にＣＯとＨ２へ変換するために部分酸化触媒で被覆される。フィンはイソプロパノール中で超音波をかけて２０分間洗浄される。１００℃で１時間乾燥し室温まで冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液中で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成後、高密度のＡｌ２Ｏ３層が形成され、Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。また、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２を含有するスラリーを被覆用に調製する。１０ｇのＺｒＯ２粉と、５５ｇの脱イオンＨ２Ｏと、１．２ｍｌの濃硝酸と、２００ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを容器中で混合する。次いで、混合物を２日間ボールミルで粉砕する。その後、２．０ｇのＺｒＯ２スラリーと、０．５４ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉と、０．４６ｇのＬａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏと、０．５ｇのＨ２Ｏとを攪拌しながら混合する。酸性γ−Ａｌ２Ｏ３であるＡｌ２Ｏ３を５３ミクロンよりも小さな粉に粉砕する。続いて、上記Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２スラリーを浸漬によってフィンにウォッシュコートする。スラリーを被覆したフィンを１２０℃で１時間乾燥し、次いで加熱および冷却速度３．５℃／分で１０００℃で１時間焼成する。スラリー装填はフィン当たり６．４ｍｇである。その後、１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィン上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。最終的にスラリーを被覆した触媒は１２０℃で１時間乾燥し、５００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり約０．６ｍｇである。
【０１３０】
燃焼チャネルにおいて、燃料中に空気を分配するためのオリフィスプレートは、オリフィス数を１７個に増加すること、および非円形オリフィスの導入によって修正される。第１オリフィスは、燃焼チャネル中に、部分酸化ゾーンの後方０．０１インチ〜０．２０インチの距離に配置される。第１オリフィスは直径０．０１２インチの半円形末端部を有する矩形のスロットからなる。スロットの最大長さは流れ方向にある。第２オリフィスは、０．０１２インチの側部長さを有する正三角形の形状であり、第１オリフィスから０．１３３インチの距離に配置される。第３および第４オリフィスは第１オリフィスから０．２６７インチの距離に配置された直径０．０１２インチの孔である。第５オリフィスは、再び第１オリフィスから０．３８６インチの距離に配置された三角形スロットである。第６オリフィスから第１５オリフィスは、直径０．０１２インチの円形孔であり、第１オリフィスから０．５９４インチ、０．７６９インチ、０．９６９インチ、１．１６８インチ、１．６１５インチ、２．１１２インチ、２．６５８インチ、３．２５７インチ、３．２５７インチ、３．８５７インチ、４．６２４インチに配置される。第１６オリフィスおよび第１７オリフィスは直径０．０１２インチの孔であり第１オリフィスから５．３９２インチの位置である。このオリフィスのパターンは、理想的な酸素当量比０．５を与え、
【数１】
で定義される。式中、ＹＯ２は酸素のモル割合であり、ＹＯ２，ｓｔｏｉｃは完全な燃焼に必要な化学量論的酸素モル割合である。
【０１３１】
燃焼チャネルは燃焼触媒で被覆される。デバイスは最初に空気中で１０００℃で３時間焼成し、表面にクロミア層を形成する。加熱および冷却速度は３．５℃／分である。次いで、１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液を燃焼チャネル上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。１００℃で１時間乾燥した後、被覆したチャネルを８００℃で１時間空気中で焼成する。続いて、５．７重量％のＰｄ（ＮＯ３）２と４３重量％のＣｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを含む溶液をチャネル上に滴下する。過剰の溶液は圧縮空気で吹き払う。次いで、被覆したチャネルを１００℃で１時間乾燥する。Ｐｄ被覆方法は１回繰り返す。次いで、被覆したチャネルを１０００℃で１時間焼成する。最終的に１０重量％のＰｔ（ＮＨ３）４（ＮＯ３）２溶液をチャネル上に滴下する。１００℃で１時間乾燥した後、被覆したチャネルを９００℃で１時間空気中で焼成する。
【０１３２】
部分酸化と燃焼反応とを一体化した反応器の性能を試験する。２個の燃焼チャネル中のメタン総流量は１．３３ＳＬＰＭである。部分酸化チャネル中のＣＨ４：Ｏ２比が２：１となるように、メタンは空気と予備混合される。空気チャネル中の空気の総流量は１０．９ＳＬＰＭである。空気は燃料に混合する前に反応器の温度まで予備加熱される。熱放散が蒸気メタン精製反応によって提供される。放散チャネル（ＳＭＲチャネルと呼ぶ）は蒸気メタン精製（ＳＭＲ）触媒で被覆される。２．１８ＳＬＰＭおよび５．２７ｃｃの水蒸気の混合物がＳＭＲチャネルを流れる。ＳＭＲチャネルの流れの入口温度は８００℃〜８５０℃である。平均部分酸化ゾーン温度は７５０℃〜８００℃であり、平均燃焼ゾーン温度は８５０℃〜９２５℃である。燃焼チャネルの容積に基づいて、燃焼チャネル中の接触時間は４．５ｍｓである。総ＣＨ４変換は９２．２％であり、部分酸化触媒のないものと比較して６１．６％の増加である。これは、部分酸化がメタン燃焼を大きく助けていることを示す。このデバイスでは平均１８．８Ｗ／ｃｍ２がＳＭＲ反応へ伝達される。燃焼チャネル中の圧力降下は２．５〜５．０ｐｓｉである。
【０１３３】
本発明を様々な詳細な実施形態について説明したが、当業者であれば、本明細書を読めばその様々な変更が明らかになることを理解すべきである。したがって、本明細書に開示した本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるそれらの変更を包含することを意図していると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】炭化水素反応物と酸素または酸素源がマイクロチャネル反応器中で本発明の触媒に接触して反応し、水素と酸化炭素を含む生成物を形成する、本発明の部分酸化方法の特定の形を示すフロー概要図である。
【図２】本発明の部分酸化方法に使用されるマイクロチャネル反応器の特定の形の動作を示すフロー概要図である。
【図３】本発明の部分酸化方法に使用される、側流（ｆｌｏｗ−ｂｙ）構成を有する触媒を含むプロセスマイクロチャネルの概要図である。
【図４】本発明の部分酸化方法に使用される、貫通流（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）構成を有する触媒を含むプロセスマイクロチャネルの概要図である。
【図５】本発明の部分酸化方法に使用される、複数のフィンを含み本発明の触媒がフィンによって担持されるフィン組立体を含むプロセスマイクロチャネルの概要図である。
【図６】図５に示したプロセスマイクロチャネルおよびフィン組立体の代替の実施形態を示す図である。
【図７】図５に示したフィン組立体の代替の実施形態を示す図である。
【図８】実施例２に開示した試験において、時間に対する工程性能のプロット図である。
【図９】実施例７に開示した試験において、時間に対する工程性能のプロット図である。
【図１０】実施例８に開示した試験において、使用したマイクロチャネル反応器のチャネル配置を示す図である。
【図１１】実施例９に用いたマイクロチャネル反応器のフィン組立体を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００３年５月１６日に出願の米国特許出願第１０／４４０，０５３号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、マイクロチャネル技術を用いる酸化方法、および酸化方法に有用な新規の触媒に関する。
【背景技術】
【０００３】
メタンおよび高級炭化水素を、燃料リッチ条件下、マイクロチャネル反応器中で比較的短い接触時間で完全に燃焼することは困難である。燃焼は不完全であり、これは望ましくないレベルの一酸化炭素と炭素の堆積を招く。したがって、問題はマイクロチャネル反応器中で完全な燃焼反応を行う方法を見出すことである。本発明はこの問題に対する解決を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
部分酸化反応は典型的に触媒の存在下で炭化水素を酸素と反応させ水素と一酸化炭素を形成することを含む。例には、メタンの水素と一酸化炭素への変換が含まれる。これらの反応の問題は、それらが発熱反応であり、典型的に熱点を形成しやすい固定床反応器中で行われることである。これらの熱点の形成は、触媒の不活性化の傾向を増加させる。本発明はこの問題に対する解決を提供する。
【０００５】
本発明は、部分酸化反応または燃焼反応と結びついた部分酸化反応がマイクロチャネル反応器中で行われる方法に関し、熱点の形成しやすさが低減され、望ましい製品の選択性が高まる。本発明の方法によるこれらの熱点の低減は、少なくとも部分的に、マイクロチャネル反応器が熱移動特性を高め、滞留時間のより正確な制御を提供することによるものと考えられる。一実施形態において、新規な、安定性のある活性の高い部分酸化触媒が本発明の方法に用いられる。
【０００６】
本発明の方法によって、マイクロチャネル反応器を使用しない従来技術の方法に比べ、比較的高い熱と質量の移動およびより短い接触時間を得ることができる。これは従来技術よりも正確な温度制御を提供する。すなわち、これは触媒の耐久性の増加と望ましくない副生成物の形成の低減をもたらす。この方法によって、それらの従来技術に比べて、炭化水素反応物の比較的高レベルの変換と、望ましい生成物への高レベルの選択性を得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、炭化水素反応物をＣＯとＨ２を含む生成物に変換する方法に関し、
（Ａ）炭化水素反応物および酸素または酸素源を含む反応組成物をマイクロチャネル反応器に流し、反応条件下で触媒に接触させて流し生成物を形成するステップを含み、マイクロチャネル反応器が少なくとも１つのプロセスマイクロチャネルを含み、触媒がプロセスマイクロチャネル内に配置され、炭化水素反応物がメタンを含み、プロセスマイクロチャネル内の反応組成物の接触時間は約５００ミリ秒以下であり、プロセスマイクロチャネル内の反応組成物と生成物の温度は約１１５０℃以下であり、炭化水素反応物の変換は少なくとも約５０％である方法に関する。
【０００８】
本発明の一実施形態において、ステップ（Ａ）に使用される触媒は部分酸化触媒であり、ステップ（Ａ）で形成された生成物は中間生成物であり、方法はステップ（Ａ）に続く以下の追加のステップをさらに含む。
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成された中間生成物を、マイクロチャネル反応器を通して流して反応条件下で燃焼触媒に接触させてＣＯ２とＨ２Ｏを含む最終生成物を形成する。
【０００９】
一実施形態において、反応組成物はＨ２Ｏをさらに含み、生成物はＨ２、ＣＯ、ＣＯ２を含む。
【００１０】
一実施形態において、本発明は、下記式によって表される組成物を含む触媒であって、基材上に被覆されるか、あるいは発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される触媒に関する。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
（式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である）
【００１１】
一実施形態において、本発明は、
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３の層を少なくとも担体構造の一部に塗工するステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）で形成した焼成担体構造の表面に助触媒または安定剤を加えるステップであって、助触媒または安定剤がＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその酸化物もしくは硝酸塩、あるいその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で形成した焼成担体構造の表面に触媒金属またはその酸化物もしくは硝酸塩を塗工するステップであって、触媒金属がＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｆ）ステップ（Ｅ）で形成した被処理担体構造を焼成して担持触媒を形成するステップとを含む、担持触媒の製造方法に関する。
【００１２】
添付の図面において、同様の部品および特徴は同様の記号を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
「マイクロチャネル」という用語は、約１０ミリメートル（ｍｍ）までの高さまたは幅の少なくとも１個の内部寸法を有するチャネルを指し、一実施形態において約５ｍｍまで、一実施形態において約２ｍｍまで、一実施形態において約１ｍｍまでである。一実施形態において、高さまたは幅は約０．０５〜約１０ｍｍの範囲であり、一実施形態において約０．０５〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１．５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約０．７５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約０．５ｍｍである。高さおよび幅は両方ともマイクロチャネルを通る流れ方向に垂直である。
【００１４】
１個のチャネルの位置を他のチャネルの位置に関して参照するときの用語「隣接する」は、壁が２個のチャネルを分離するように直接隣接することを意味する。この壁は厚さが変化してもよい。しかし、「隣接する」チャネルは、チャネル間の熱伝達を妨害するであろう介在チャネルによって分離されない。
【００１５】
「流体」という用語は、ガス、液体、または分散した固体を含むガスもしくは液体、またはその混合物を指す。流体は分散された液滴を含むガスの形とすることができる。
【００１６】
「接触時間」という用語は、マイクロチャネル反応器内の反応ゾーンの容積を温度０℃、１気圧の反応組成物の容積流量で除したものを指す。
【００１７】
「滞留時間」という用語は、空間を通って流れる流体によって占拠された空間の内部容積（例えばマイクロチャネル反応器内の反応ゾーン）を、使用される温度と圧力で空間を通って流れる流体の平均容積流量で除したものを指す。
【００１８】
「反応ゾーン」という用語は、反応物が触媒に接触するマイクロチャネル反応器内の空間を指す。
【００１９】
「炭化水素反応物の変換」という用語は、反応組成物と生成物間の炭化水素反応物のモル変化を反応組成物中の炭化水素反応物のモルで除したものを指す。
【００２０】
「所望の生成物への選択性」という用語は、生成された所望の酸素化またはニトリルのモルを、生成された所望の酸素化またはニトリルのモル＋他の生成された生成物のモル（例えばＣＯ、ＣＯ２）で除し、それらの各々の化学量論的因子を乗じたものを指す。例えば、望ましくない副生成物として二酸化炭素を含む、エチレンの酸化エチレンへの酸化では、１モルの酸化エチレンと１モルの二酸化炭素の生成は、選択性が１００×（１／（１＋０．５））＝６７％になる。
【００２１】
「炭化水素」という用語は、炭化水素または主として炭化水素の特性を有する化合物を指す。これらの炭化水素化合物は、以下を含む。
（１）純粋な炭化水素化合物：すなわち、脂肪族化合物（例えばアルカンまたはアルキレン）、脂環式化合物（例えばシクロアルカン、シクロアルキレン）、芳香族化合物、脂肪族および脂環式化合物で置換した芳香族化合物、芳香族で置換した脂肪族化合物、芳香族で置換した脂環式化合物等。例には、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、エチルシクロヘキサン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、スチレン等が含まれる。
（２）置換した炭化水素化合物：すなわち、化合物の炭化水素特性を大きく変化させない非炭化水素置換基を含む炭化水素化合物。非炭化水素置換基の例には、ヒドロキシ、アシル、ニトロ等が含まれる。
（３）ヘテロ置換炭化水素化合物：すなわち、特性では主として炭化水素であるが、鎖または環中に炭素以外の原子を含み、他は炭素原子からなる炭化水素化合物。適切なヘテロ原子には、例えば、窒素、酸素、硫黄が含まれる。
【００２２】
本発明の方法は図１および図２に示した通りに行うことができる。図１を参照すれば、方法は、マイクロチャネル反応器コア１０１と、反応物ヘッダ１０２と、酸化物ヘッダ１０４と、生成物フッタ１０６と、熱交換ヘッダ１１０と、熱交換フッタ１１２とを含むマイクロチャネル反応器１００を用いて運転される。マイクロチャネル反応器コア１０１は反応器ゾーン１０７と、マニホールドおよび回収熱交換機１０８とを含む。炭化水素反応物を含む反応組成物は、方向矢印１１６で示すように、反応物ヘッダ１０２を通ってマイクロチャネル反応器１００の中へ流れる。酸素もしくは酸素源は、方向矢印１１８で示すように、酸化物ヘッダ１０４を通ってマイクロチャネル反応器１００の中へ流れる。炭化水素反応物および酸素または酸素源はマニホールドおよび回収熱交換機１０８を通って反応器ゾーン１０７へ流れ、そこでそれらは触媒に接触し、反応して所望の生成物を形成する。生成物は反応器ゾーン１０７からマニホールドおよび回収熱交換機１０８を通って生成物フッタ１０６へ流れ、方向矢印１２０で示すように生成物フッタ１０６を出る。熱交換流体は、方向矢印１２４で示すように、熱交換ヘッダ１１０の中へ流れることができ、熱交換ヘッダ１１０からマイクロチャネル反応器コア１０１を通って熱交換フッタ１１２へ流れ、方向矢印１２６で示すように、熱交換フッタ１１２を出ることができる。反応物は反応器ゾーンへ入る前に予備加熱することができる。炭化水素反応物および酸素または酸素源は反応器ゾーンへ入る前に混合することができ、あるいはそれらは反応器ゾーン中で混合することができる。
【００２３】
マイクロチャネル反応器コア１０１内で、酸素または酸素源は段階的添加を用いて炭化水素反応物に加えることができる。これは、図１に示したマイクロチャネル反応器１００に使用される繰り返しユニット１３０を説明する図２に示されている。繰り返しユニット１３０は筐体ユニット１３１内に収納され、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０、酸化物マイクロチャネル１６０、オリフィス１７０、熱交換マイクロチャネル１８０および１９０を含む。炭化水素反応物は、方向矢印１４１および１５１でそれぞれ示すように、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０を通って流れる。酸素または酸素源は、方向矢印１６１で示すように、酸化物マイクロチャネル１６０を通ってオリフィス１７０へ流れる。酸素または酸素源はプロセスマイクロチャネル１４０および１５０中で炭化水素反応物と混合する。プロセスマイクロチャネル１４０および１５０は、触媒が存在し反応物が触媒に接触して反応を行い、所望の生成物を形成するそれぞれの反応ゾーン１４２および１５２と、前述の触媒または異なる触媒にさらに接触することができ、あるいは生成物の冷却および／または急冷を行うことのできるそれぞれのチャネルゾーン１４３および１５３とを有する。反応ゾーンに配置された触媒は部分酸化触媒である。一実施形態において、燃焼触媒は、反応ゾーン１４２および１５２、ならびに／またはチャネルゾーン１４３および１５３中の部分酸化触媒の下流に配置することができる。生成物は、それぞれ方向矢印１４４および１５４で示すように、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０を出る。プロセスマイクロチャネル１４０および１５０を出る生成物は、方向矢印１２０で示すように、マニホールドおよび回収熱交換機１０８を流れ、マニホールドおよび回収熱交換機１０８から生成物フッタ１０６へ流れる。熱交換流体は、方向矢印１８１、１９１および１９２でそれぞれ示すように、ヘッダ１１０から熱交換チャネル１８０および１９０を通って熱交換フッタ１１２へ流れる。熱交換チャネル１８０および１９０は、矢印１８１、１９１、１９２で示すように、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０に関して直交する方向への流れを提供するように配列される。プロセスマイクロチャネル１４０および１５０は熱を熱交換チャネルへ伝達する。熱交換流体は既知の技術を用いて再循環することができる。代りに、熱交換チャネルは、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０の流体の流れ方向に関して並流または対向流の熱交換流体の流れを与えるように配置することができる。図２に示した繰り返しユニット１３０は、マイクロチャネル反応器１００内で１回行うことができ、あるいは、任意の回数、例えば、２回、３回、４回、５回、１０回、２０回、５０回、１００回、数百回、千回、数千回、一万回、数万回、十万回、数十万回、または数百万回行うことができる。この方法に設けられた段階的な酸素添加によって、局部的な酸素圧力を下げる利点と、高い規模に匹敵する望ましくない燃焼反応よりも望ましい低い規模の部分酸化反応を優先する利点とを提供する。
【００２４】
プロセスマイクロチャネル１４０と１５０および酸化物マイクロチャネル１６０の各々は、約１０ｍｍまでの高さまたは幅の少なくとも１個の内部寸法を有することができ、一実施形態において約０．０５〜約１０ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１．５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約０．５ｍｍである。高さまたは幅の他の内部寸法は任意の値とすることができ、例えば、約０．１ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．１〜約７５ｃｍ、一実施形態において約０．１〜約５０ｃｍ、一実施形態において約０．２ｃｍ〜約２５ｃｍである。プロセスマイクロチャネル１４０と２５０、および酸化物マイクロチャネル１６０の各々の長さは任意の値とすることができ、例えば、長さは約１ｃｍ〜約５００ｃｍの範囲とすることができ、一実施形態において１ｃｍ〜約２５０ｃｍ、一実施形態において１ｃｍ〜約１００ｃｍ、一実施形態において１ｃｍ〜約５０ｃｍ、一実施形態において約２ｃｍ〜約２５ｃｍである。
【００２５】
熱交換チャネル１８０および１９０の各々は、約１０ｍｍまでの高さまたは幅の少なくとも１個の内部寸法を有することができ、一実施形態において約０．０５〜約１０ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０５〜約１ｍｍである。他の内部寸法は、約１ｍｍ〜約１ｍの範囲とすることができ、一実施形態において約１ｍｍ〜約０．５ｍ、一実施形態において約２ｍｍ〜約１０ｃｍである。熱交換チャネルの長さは、約１ｍｍ〜約１ｍの範囲とすることができ、一実施形態において約１ｃｍ〜約０．５ｍである。これらの熱交換チャネルはマイクロチャネルとすることができる。各プロセスマイクロチャネル１４０または１５０と次の隣接する熱交換チャネル１８０または１９０間の分離は、約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．２ｍｍ〜約２ｍｍである。
【００２６】
マイクロチャネル反応器１００は既知の技術を用いて作製することができる。これらは、挟み込んだシムの積層を含み、プロセスマイクロチャネル、酸化物マイクロチャネル、および熱交換マイクロチャネル用に設計されたシムが挟み込まれる。
【００２７】
筐体１３１、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０、酸化物マイクロチャネル１６０、および熱交換チャネル１８０および１９０は、本発明の方法の実行を可能にするのに十分な強度、寸法安定性、および熱伝達特性を提供する任意の材料から作製することができる。これらの材料は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼等）、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の前述の金属の合金、ポリマー（例えば熱硬化性樹脂）、セラミック、ガラス、１種もしくは複数種のポリマー（例えば熱硬化樹脂）およびファイバーグラスを含む複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せを含む。
【００２８】
代わりに、酸素または酸素源のマイクロチャネル反応器への段階的添加は、分離した装置を使用し、ひとつの装置内の小さなオリフィスまたはジェットの使用によって、あるいは微小孔メンブレンまたは代りの噴霧シートから行うことができる。部分酸化反応および特殊な酸化性脱水素反応への酸素の段階的添加は、Ｔｏｎｋｏｖｉｃｈ、Ｚｉｌｋａ、Ｊｉｍｅｎｚ、Ｒｏｂｅｒｔｓ、およびＣｏｘの１９９６年「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｒｅａｃｔｏｒｓ：ａ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ、５１（５）、７８９〜８０６）に開示されており、参照により本明細書に組み込まれている。
【００２９】
一実施形態において、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０はバルク流路を含むことができる。「バルク流路」という用語はプロセスマイクロチャネル内の開放通路（連続的なバルク流れの領域）を指す。連続的なバルク流領域は、大きな圧力降下なしにマイクロチャネルを通る急速な流体の流れを可能にする。一実施形態において、バルク流領域中の流体の流れは層流である。各プロセスマイクロチャネル内のバルク流領域は、約０．０５〜約１０，０００ｍｍ２の断面積を有することができ、一実施形態において約０．０５〜約５０００ｍｍ２、一実施形態において約０．１〜約２５００ｍｍ２、一実施形態において約０．２〜約１０００ｍｍ２、一実施形態において約０．３〜約５００ｍｍ２、一実施形態において約０．４〜約２５０ｍｍ２、一実施形態において約０．５〜約１２５ｍｍ２である。バルク流領域は、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０の断面積の約５％〜約９５％を含むことができ、一実施形態において約３０％〜約８０％である。
【００３０】
反応組成物は流体の形とすることができる。この流体は液体またはガスとすることができ、一実施形態においてそれはガスの形である。この流体は分散した液体液滴を含むガスの形とすることができる。反応組成物はメタンを含み、１種または複数種の追加の炭化水素反応物をさらに含むことができる。メタンと１種または複数種の追加の炭化水素反応物との混合物中のメタンの濃度は、メタン約１００％までの濃度の範囲とすることができ、一実施形態においてメタン約１０〜約９０体積％、一実施形態においてメタン約５０〜約９０体積％である。
【００３１】
反応組成物の純度は重要ではないが、触媒を阻害し得る化合物の存在は避けることが望ましい。結果として、反応組成物は空気、二酸化炭素等などの不純物をさらに含むことができる。
【００３２】
反応組成物は希釈材料を含むことができる。それらの希釈剤の例には、窒素、ヘリウム、二酸化炭素、液体の水、蒸気等が含まれる。反応組成物中の炭化水素反応物に対する希釈剤の体積比は、０〜約８０体積％の範囲とすることができ、一実施形態において０〜約５０体積％である。しかし、本発明の少なくとも一実施形態の利点は、本発明の方法をそれらの希釈剤なしで行うことができ、したがってより効率的かつ簡潔な方法を提供できることである。
【００３３】
炭化水素反応物はメタンを含むことができ、さらに、酸化反応を行うことができ、プロセスマイクロチャネル内で使用される温度と圧力で流体（および一実施形態において蒸気）である１種または複数種の追加の炭化水素化合物を含むことができる。例には、飽和脂肪族化合物（例えばアルカン）、不飽和脂肪族化合物（例えばモノエン、ポリエン等）、アルキル置換芳香族化合物、アルキレン置換芳香族化合物、油、通常の流体燃料等が含まれる。
【００３４】
飽和脂肪族化合物は、分子当たり２〜約２０個の炭素原子を含むアルカンを含み、一実施形態において２〜約１８個の炭素原子、一実施形態において２〜約１６個の炭素原子、一実施形態において２〜約１４個の炭素原子、一実施形態において２〜約１２個の炭素原子、一実施形態において２〜約１０個の炭素原子、一実施形態において２〜約８個の炭素原子、一実施形態において２〜約６個の炭素原子、一実施形態において２〜約４個の炭素原子である。これらは、エタン、プロパン、イソプロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等を含む。
【００３５】
不飽和脂肪族化合物は２〜約２０個の炭素原子を含むアルケンまたはアルキレンを含み、一実施形態において２〜約１８個の炭素原子、一実施形態において２〜約１６個の炭素原子、一実施形態において２〜約１４個の炭素原子、一実施形態において２〜約１２個の炭素原子、一実施形態において２〜約１０個の炭素原子、一実施形態において２〜約８個の炭素原子、一実施形態において分子当たり２〜約６個の炭素原子、一実施形態において２〜約４個の炭素原子である。これらは、エチレン、プロピレン、１−ブテン、２−ブテン、イソブチレン、１−ペンテン、２−ペンテン、３−メチル−１−ブテン、２−メチル−２−ブテン、１−ヘキセン、２，３−ジメチルー２−ブテン、１−へプテン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン等を含む。
【００３６】
不飽和脂肪族化合物はポリエンを含むことができる。これらは、ジエン、トリエン等を含む。これらの化合物は、分子当たり３〜約２０個の炭素原子を含むことができ、一実施形態において３〜約１８個の炭素原子、一実施形態において３〜約１６個の炭素原子、一実施形態において３〜約１４個の炭素原子、一実施形態において３〜約１２個の炭素原子、一実施形態において３〜約１０個の炭素原子、一実施形態において約４〜約８個の炭素原子、一実施形態において分子当たり約４〜約６個の炭素原子である。例には、１，２−プロパジエン（アレンとしても知られる）、１，３−ブタジエン、２−メチル−１，３−ブタジエン（イソプレンとしても知られる）１，３−ペンタジエン、１，４−ペンタジエン、１，５−ヘキサジエン、２，４−ヘキサジエン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン等が含まれる。
【００３７】
アルキルまたはアルキレン置換芳香族化合物は、１個もしくは複数のアルキルまたはアルキレン置換基を含むことができる。これらの化合物は単環式（例えばフェニル）または多環式（例えばナフチル）を含むことができる。これらの化合物は、１〜約２０個の炭素原子を含有する１個または複数のアルキル基を含むアルキル置換芳香族化合物を含み、一実施形態において１〜約１８個の炭素原子、一実施形態において１〜約１６個の炭素原子、一実施形態において１〜約１４個の炭素原子、一実施形態において１〜約１２個の炭素原子、一実施形態において１〜約１０個の炭素原子、一実施形態において１〜約８個の炭素原子、一実施形態において約２〜約６個の炭素原子、一実施形態において約２〜約４個の炭素原子である。また、これらは、２〜約２０個の炭素原子を含有する１個または複数のアルキレン基を含むアルキレン置換芳香族化合物を含み、一実施形態において２〜約１８個の炭素原子、一実施形態において２〜約１６個の炭素原子、一実施形態において２〜約１４個の炭素原子、一実施形態において２〜約１２個の炭素原子、一実施形態において２〜約１０個の炭素原子、一実施形態において２〜約８個の炭素原子、一実施形態において約２〜約６個の炭素原子、一実施形態において約２〜約４個の炭素原子である。例には、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ヘミメリテン、プソイドクメン、メシチレン、プレーニテン、イソジュレン、ジュレン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、エチルベンゼン、ｎ−プロピルベンゼン、クメン、ｎ−ブチルベンゼン、イソブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン、ｐ−シメン、スチレン等が含まれる。
【００３８】
炭化水素反応物は、天然油、合成油、またはその混合物をさらに含むことができる。天然油は、動物油および植物油（例えばひまし油、ラード油）、ならびに液体石油などの鉱物油を含む。石炭またはシェール油から誘導された油を用いることができる。合成油には、重合および中間重合オレフィン、ポリフェニル、アルキル化ジフェニルエステル、アルキル化した硫化ジフェニル等などの炭化水素油が含まれる。酸化アルキレンポリマーおよび中間ポリマー、および熱的ヒドロキシル基がエステル化やエーテル化等によって修飾されたその誘導体は、炭化水素反応物として使用することのできる既知の他の種類の合成油を構成する。炭化水素反応物として有用な合成油は、ジカルボン酸と様々なアルコールとのエステルを含む。炭化水素反応物はポリ−α−オレフィンを含むことができる。炭化水素反応物は、フィッシャー−トロプシュ合成炭化水素を含むことができる。炭化水素反応物は、オイル精製の間に発生する方法蒸気、化学合成等から得ることができる。
【００３９】
炭化水素反応物は通常の液体炭化水素燃料をさらに含むことができる。これらは、自動車ガソリン、ディーゼル燃料または燃料油など蒸留燃料を含む。植物原料、鉱物原料、およびその混合物に由来する炭化水素反応物を使用することができる。これらは、大豆、菜種、ヤシ、頁岩、石炭、タール砂等から誘導された炭化水素反応物を含む。
【００４０】
酸素または酸素源は分子状酸素、空気または酸素源として機能することのできる窒素酸化物などの他の酸化物を含むことができる。酸素源は二酸化炭素、一酸化炭素または過酸化物（例えば過酸化水素）とすることができる。酸素と空気の混合物などの酸素を含む気体混合物、または酸素と不活性ガス（例えばヘリウム、アルゴン等）もしくは希釈ガス（例えば二酸化炭素、水蒸気等）との混合物を用いることができる。
【００４１】
酸素に対する炭化水素反応物中の炭素のモル比は、約１０：１〜約１：１の範囲とすることができ、一実施形態において約４：１〜約１：１、一実施形態において約２．４：１〜約１．６：１である。
【００４２】
熱交換流体は任意の流体とすることができる。これらは、空気、蒸気、液体水、気体窒素、液体窒素、不活性ガスを含む他のガス、一酸化炭素、溶融塩、鉱物油などの油、ならびにＤｏｗ−Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅから入手可能なＤｏｗｔｈｅｒｍ ＡおよびＴｈｅｒｍｉｎｏｌなどの熱交換流体を含む。
【００４３】
熱交換流体は１種または複数種の反応物蒸気を含むことができる。これは本方法の予備加熱を与えることができ、方法の全体的な熱効率を増加させる。
【００４４】
一実施形態において、熱交換チャネルは、吸熱反応が行われる方法チャネルを含む。これらの熱交換方法チャネルはマイクロチャネルとすることができる。熱交換チャネル中で行われる吸熱反応の例には、蒸気精製および脱水素反応を含む。マイクロチャネル反応器中の対流冷却の典型的な熱フラックスは、約１〜約１０Ｗ／ｃｍ２の程度である。熱放散を向上させるために吸熱反応を同時に組み込むと、典型的な熱フラックスをほぼ対流冷却熱フラックスを超える程度の大きさにすることができる。発熱反応と吸熱反応を同時に使用して、マイクロチャネル反応器中で熱交換を行うことは、２００２年８月１５日出願の米国特許出願第１０／２２２，１９６号に開示されており、参照により本明細書に組み込まれている。
【００４５】
一実施形態において、熱交換流体はそれが熱交換チャネルを通過すると相変化を行う。この相変化は、プロセスマイクロチャネルから対流冷却を超える追加の熱を除去する。蒸発される液体熱交換流体では、プロセスマイクロチャネルから伝達される追加の熱は、熱交換流体に必要な蒸発潜熱から由来するであろう。それらの相変化の例は、沸騰する油または水である。
【００４６】
本発明の方法中のプロセスマイクロチャネル１４０および１５０の冷却は、一実施形態において、それらの加えられた冷却が、より高い活性化エネルギーでの望ましくない並列反応による望ましくない副生成物の形成を低減しまたは排除するため、主要または望ましい生成物に向けて選択性を制御するのに有利である。この冷却の結果、一実施形態において、プロセスマイクロチャネル１４０および１５０の入口での反応組成物の温度を、プロセスマイクロチャネルの出口で、生成物（または生成物と未反応反応物の混合物）の温度の約２００℃内にすることができ、一実施形態において約１５０℃内、一実施形態において約１００℃内、一実施形態において約５０℃内、一実施形態において約２５℃内、一実施形態において約１０℃内である。
【００４７】
マイクロチャネル反応器中で使用される触媒は、プロセスマイクロチャネル内に適合する任意のサイズと幾何形状を有することができる。触媒は、約１〜約１０００μｍの中心粒子直径を有する粒子状固体の形（例えばペレット、粉、繊維等）とすることができ、一実施形態において約１０〜約５００μｍ、一実施形態において約２５〜約２５０μｍである。触媒は発泡体、フェルト、ワッド、またはその組合せなどの多孔質構造体中に担持することができる。用語「発泡体」は、本明細書では構造全体の孔を画定する連続壁を備える構造を指す。用語「フェルト」は、本明細書ではその間に介在する空間を有する繊維の構造を指す。用語「ワッド（ｗａｄ）」は、本明細書では鋼ウールなどの絡み合った束の構造を指す。触媒はハニカム構造に担持することができる。
【００４８】
触媒は、隣接する間隙を有するフェルト、隣接する間隙を有する発泡体、間隙を有するフィン構造、挿入された任意の基材上のウォッシュコート、または流れに対応する間隙を有する、流れ方向に平行な金網（ｇａｕｚｅ）などの側流構造の形とすることができる。側流構造の例は図３に示される。図３において、触媒３００はプロセスマイクロチャネル３０２内に含まれる。開放通路３０４は、矢印３０６および３０８で示すように、流体がプロセスマイクロチャネル３０２を通って触媒３００に接触して流れることを可能にする。
【００４９】
触媒は、発泡体、ワッド、ペレット、粉、または金網などの貫通流構造とすることができる。貫通流構造の例は図４に示される。図４において、貫通流触媒４００はプロセスマイクロチャネル４０２内に含まれ、流体は矢印４０４および４０６で示すように触媒４００を通って流れる。
【００５０】
触媒は、プロセスマイクロチャネルの内壁に直接塗工することができ、溶液から壁上に成長させることができ、またはフィン構造にイン・シトゥーに塗工することができる。触媒は、単一の多孔質連続材料片、または物理的に接触した多数の片の形とすることができる。一実施形態において、触媒は連続材料からなり、分子が触媒を通って拡散できるように、連続多孔質である。この実施形態において、流体は触媒の周りではなくそれを貫通して流れる。一実施形態において、触媒の断面積はプロセスマイクロチャネルの断面積の約１〜約９９％であり、一実施形態において約１０〜約９５％である。触媒は、ＢＥＴで測定して約０．５ｍ２／ｇを超える表面積を有し、一実施形態において約２ｍ２／ｇを超える。
【００５１】
触媒は、多孔質担体と、多孔質担体上の界面層と、および界面層上の触媒材料とを含むことができる。界面層は担体上に溶液析出させることができ、あるいは化学蒸着、または物理的蒸着によって堆積させることができる。一実施形態において、触媒は多孔質担体と、緩衝層と、界面層と、触媒材料とを有する。前述の層のいずれも連続的、または斑点または点のように不連続的、または間隙もしくは孔を有する層の形とすることができる。
【００５２】
多孔質担体は、水銀多孔質計で測定して少なくとも約５％の空隙率、および平均孔サイズ（孔直径の総和を孔の数で除したもの）約１〜約１０００μｍを有することができる。多孔質担体は多孔質セラミックまたは金属発泡体とすることができる。他の使用することのできる多孔質担体は、炭化物、窒化物および複合材料を含む。多孔質担体は約３０％〜約９９％の空隙率を有することができ、一実施形態において約６０％〜約９８％である。多孔質担体は、発泡体、フェルト、ワッド、またはその組合せの形とすることができる。金属発泡体の開放セルはインチ当たり約２０穴（ｐｐｉ）〜約３０００ｐｐｉの範囲とすることができ、一実施形態において約２０〜約１０００ｐｐｉ、一実施形態において約４０〜約１２０ｐｐｉである。用語「ｐｐｉ」は、インチ当たりの孔の最大数を指す（等方性材料において測定の方向は関係しないが、異方性材料では、測定は孔数が最大になる方向で行われる）。
【００５３】
緩衝層は、存在すれば、多孔質担体と界面層とは異なる組成物および／または密度を有することができ、一実施形態において多孔質担体と界面層の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する。緩衝層は金属酸化物または金属炭化物とすることができる。緩衝層はＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、またはその組合せからなることができる。Ａｌ２Ｏ３はα−Ａｌ２Ｏ３、γ−Ａｌ２Ｏ３、またはその組合せとすることができる。α−Ａｌ２Ｏ３は、酸素拡散に対して優れた抵抗性の利点を提供する。緩衝層は２種またはそれ以上の組成物の異なる副層から形成することができる。例えば、多孔質担体が金属、例えばステンレス鋼発泡体であるとき、２種の組成物の異なる副層から形成された緩衝層を使用することができる。第１副層（多孔質担体に接触する）はＴｉＯ２とすることができる。第２副層はＴｉＯ２の上に配置されたα−Ａｌ２Ｏ３とすることができる。一実施形態において、α−Ａｌ２Ｏ３副層は下地金属表面を保護する高密度層である。次いで、アルミナなどの密度の低い大表面積の界面層を触媒活性層の担体として堆積することができる。
【００５４】
多孔質担体は、界面層の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有することができる。その場合、緩衝層は２種類の熱膨張係数の間に転移するために必要であろう。緩衝層の熱膨張係数は、その組成物を制御することによって微調整し、多孔質担体と界面層の膨張係数に適合性のある膨張係数を得ることができる。緩衝層は下地担体に対して優れた保護を提供するために開口部またはピンホールがあってはならない。緩衝層は非多孔質とすることができる。緩衝層は多孔質担体の平均孔サイズの１／２未満の厚さを有することができる。緩衝層は約０．０５〜約１０μｍの厚さを有することができ、一実施形態において約０．０５〜約５μｍである。
【００５５】
本発明の一実施形態において、緩衝層なしで十分な接着と化学的安定性を得ることができる。この実施形態において、緩衝層は省くことができる。
【００５６】
界面層は窒化物、炭化物、硫化物、ハロゲン化物、金属酸化物、炭素、またはその組合せを含むことができる。界面層は、大きな表面積を提供し、かつ／または担持触媒のための望ましい触媒−担体相互作用を提供する。界面層は触媒担体として従来使用される任意の材料からなることができる。界面層は金属酸化物からなることができる。使用することのできる金属酸化物の例には、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、酸化タングステン、酸化マグネシウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化スズ、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、ランタン族酸化物、ゼオライト、およびその組合せが含まれる。界面層は、その上にさらに他の触媒活性材料を堆積することなく触媒活性層として働くことができる。しかし、通常、界面層は触媒活性層と組合わせて使用される。界面層は２種またはそれ以上の組成物の異なる副層から形成することができる。界面層は多孔質担体の平均孔サイズの１／２未満の厚さを有することができる。界面層の厚さは約０．５〜約１００μｍの範囲とすることができ、一実施形態において約１〜約５０μｍである。界面層は結晶質または非晶質のいずれでもよい。界面層は少なくとも約１ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有することができる。
【００５７】
触媒は界面層上に堆積させることができる。代りに、触媒材料を界面層と同時に堆積させることができる。触媒層は界面層に緊密に分散することができる。触媒層が界面層上に「分散される」または「堆積させる」ことは、微視的触媒粒子が、担体層（すなわち界面層）表面、担体層の亀裂中、担体層の開放孔中に分散される従来の解釈を含む。
【００５８】
触媒はプロセスマイクロチャネルの各々の内部に配置することのできる１個または複数のフィンの組立体上に担持することができる。例は図５〜図７に示される。図５を参照すれば、フィン組立体５００は、プロセスマイクロチャネル５０８の基底壁５０６を覆うフィン担体５０４上に搭載されたフィン５０２を含む。フィン５０２はフィン担体５０４からプロセスマイクロチャネル５０８の内部へ突出する。フィン５０２はプロセスマイクロチャネル５０８の上部壁５１０の内部表面に展延して接触する。フィン５０２の間のフィンチャネル５１２は、流体がプロセスマイクロチャネル５０８の長さ方向に平行に流れるための通路を提供する。フィン５０２の各々はその側部の各々に外部表面を有し、この外部表面は触媒の支持基盤を提供する。本発明の方法では、反応組成物はフィンチャネル５１２を通って流れ、フィン５０２の外部表面に担持触媒と接触し、反応して生成物を形成する。図６に示したフィン組立体５００ａは、フィン５０２ａがマイクロチャネル５０８の上部壁５１０の内部表面まで完全に展延しないことを除いて、図５に示したフィン組立体５００と類似している。図７に示したフィン組立体５００ｂは、フィン組立体５００ｂのフィン５０２ｂが台形の断面形状を有することを除いて、図５に示したフィン組立体５００と類似している。フィンの各々は約０．０２ｍｍからプロセスマイクロチャネル５０８の高さまでの範囲の高さを有することができ、一実施形態において約０．０２〜約１０ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約５ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約２ｍｍである。各フィンの幅は約０．０２〜約５ｍｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．０２〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約１ｍｍである。各フィンの長さは、プロセスマイクロチャネル５０８の長さまでの任意の長さとすることができ、一実施形態において約５ｍｍ〜約５００ｃｍ、一実施形態において約１ｃｍ〜約２５０ｃｍ、一実施形態において約１ｃｍ〜約１００ｃｍ、一実施形態において約２ｃｍ〜約２５ｃｍである。各フィンの間の間隔は任意の値とすることができ、約０．０２〜約５ｍｍの範囲とすることができ、一実施形態において約０．０２〜約２ｍｍ、一実施形態において約０．０２〜約１ｍｍである。プロセスマイクロチャネル５０８中のフィンの数は、プロセスマイクロチャネル５０８の幅のセンチメートル当たり約１〜約５０フィンの範囲とすることができ、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約３０フィン、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約１０フィン、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約５フィン、一実施形態においてセンチメートル当たり約１〜約３フィンである。フィンの各々は図５および図６に示すような矩形または正方形、もしくは図７に示すような台形の形状の断面を有することができる。その長さに沿って見たとき、各フィンは、直線、テーパー付き、または蛇行形状を有することができる。フィンは、プロセスマイクロチャネルに意図された動作を可能にする、十分な強度、寸法安定性、および熱伝達特性を提供する任意の材料から形成することができる。これらの材料は、鋼（例えばステンレス鋼、炭素鋼等）、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の前述の金属の合金、ポリマー（例えば熱硬化性樹脂）、セラミック、ガラス、１種または複数種のポリマー（例えば熱硬化樹脂）およびファイバーグラスを含む複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せを含む。フィンは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙを含む合金などＡｌ２Ｏ３形成材料、またはＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅの合金などのＣｒ２Ｏ３形成材料から作製することができる。
【００５９】
触媒は、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、もしくはその酸化物、またはその２種以上の混合物を含むことができる。前述の１種または複数種に基づく部分酸化触媒は、米国特許第５，６４８，５８２号、および第６，４０９，９４０Ｂ１号、米国特許出願第２００２／０００４４５０Ａ１号、第２００２／００１２６２４Ａ１号、および第２００２／０１１５７３０Ａ１号、ＰＣＴ国際公開ＷＯ９９／４８８０５、ＷＯ０１／８０９９２Ａ２、およびＷＯ０２／０６６４０３Ａ１、ならびに欧州特許出願ＥＰ０６４０５６１Ａ１、ＥＰ０７２５０３８Ａ１、およびＥＰ０７４１１０７Ａ１に開示されている。これらの触媒は、任意の形状、または上述の任意の担体構造に担持された形とすることができる。
【００６０】
部分酸化触媒は、米国特許第５，６４８，５８２号に開示されているセラミック担体上に堆積させた白金またはその酸化物を含むことができ、これは参照により本明細書に組み込まれている。
【００６１】
部分酸化触媒は、スピネル、ペロブスカイト、酸化マグネシウム、パイロクロア、ブラウンミラーライト、リン酸ジルコニウム、マグネシウム安定化ジルコニア、ジルコニア安定化アルミナ、シリコンカーバイド、イットリウム安定化ジルコニア、カルシウム安定化ジルコニア、イットリウムアルミニウムガーネット、アルミナ、コージェライト、ＺｒＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ、ＳｉＯ２、もしくはＴｉＯ２から作製された担体構造上に堆積させたニッケルおよびロジウム、またはその酸化物を含むことができる。これらは米国特許第６，４０９，９４０Ｂ１号に開示され、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６２】
部分酸化触媒は、米国特許第２００２／０１１５７３０Ａ１号に開示されているように、ランタニドを助触媒とするロジウム触媒を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６３】
部分酸化触媒は、米国特許第２００２／００１２６２４Ａ１号に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ、またはＮｉ−Ｒｈ合金を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６４】
部分酸化触媒は、米国特許第２００２／０００４４５０Ａ１号に開示されているように、セラミック酸化物繊維上に担持されたロジウム、ニッケル、クロム、またはその組合わせを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６５】
部分酸化触媒は、ＰＣＴ国際公開ＷＯ９９／４８８０５に開示されているように、耐火酸化物担体上に担持されたロジウムを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６６】
部分酸化触媒は、ＰＣＴ国際公開ＷＯ０１／８０９９２Ａ２に開示されているように、ロジウム金網、またはロジウムフェルトを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６７】
部分酸化触媒は、ＰＣＴ国際公開ＷＯ０２／０６６４０３Ａ１に開示されているように、ロジウム−スピネル触媒を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６８】
部分酸化触媒は、欧州特許ＥＰ０６４０５６１Ａ１に開示されているように、少なくとも２種類のカチオンを有する耐火酸化物上に担持されたＶＩＩＩ族金属（例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００６９】
部分酸化触媒は、欧州特許ＥＰ０７２５０３８Ａ１に開示されているように、層状ヒドロタルサイト型構造を有するロジウムおよび／またはルテニウムを含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００７０】
部分酸化触媒は、欧州特許ＥＰ０７４１１０７Ａ２に開示されているように、ニッケル系触媒またはルテニウム系触媒を含むことができ、参照により本明細書に組み込まれている。
【００７１】
部分酸化触媒は、式
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ （Ｉ）
で表される組成物を含むことができ、
式（Ｉ）中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、一実施形態において０．０１〜約１であり、ｂは０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、一実施形態において０〜約０．２であり、ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、一実施形態において約０．０１〜約０．２であり、ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、一実施形態において約０．１〜約０．９であり、ｘは存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数であり、触媒は基材上に被覆され、または発泡体、フェルト、ワッドもしくはフィン上に担持される一実施形態においてＭ１はＲｈまたはＮｉであり、一実施形態においてそれはＲｈである。一実施形態においてＭ３はＬａまたはＭｇであり、一実施形態においてそれはＬａである。一実施形態において触媒は式Ｒｈ／ＬａＡｌ１１Ｏ１８またはＲｈ／ＬａＡｌＯ３によって表すことができる。
【００７２】
一実施形態において、式（Ｉ）で表される触媒を作製する方法は、
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３の層を天然の酸化物層に塗工して被処理担体構造を形成するステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）で形成した焼成され担体構造の表面に助触媒または安定剤を塗工するステップであって、助触媒または安定剤がＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその酸化物もしくは硝酸塩、あるいはその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で形成した焼成担体構造の表面に触媒金属またはその酸化物もしくは硝酸塩を塗工するステップであって、触媒金属がＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物を含むステップと、
（Ｆ）ステップ（Ｅ）で形成した被処理担体構造を焼成して担体構造を形成するステップとを含む。一実施形態において、ステップ（Ｆ）で形成された触媒は水素中で還元することができる。
【００７３】
担体構造は、鋼、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の前述の金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーおよびファイバーグラスを含む複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せを含む材料から作製することができる。一実施形態において、担体構造はＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＹを含む合金から作製することができ、天然酸化物層はＡｌ２Ｏ３を含むことができる。一実施形態において、担体構造はＮｉ、Ｃｒ、およびＦｅを含む合金から作製することができ、天然の酸化物層はＣｒ２Ｏ３を含むことができる。一実施形態において、助触媒または安定剤はＬａまたはＭｇとすることができ、一実施形態においてそれはＬａである。一実施形態において、触媒金属はＲｈまたはＮｉであり、一実施形態においてそれはＲｈである。
【００７４】
担体構造は、ステップ（Ａ）の前に約３００℃〜約１４００℃の範囲の温度に加熱することができ、一実施形態において約７００〜約１２００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。担体構造が金属から作製されるとき、この熱処理ステップは担体構造の表面に天然の酸化物層を有利に提供する。
【００７５】
ステップ（Ａ）の間に、Ａｌ２Ｏ３を含むスラリーまたはＡｌ２Ｏ３を含むコロイド分散液（すなわちゾル）を天然酸化物層の上に塗工することができる。スラリーは、約１〜約５０重量％のＡｌ２Ｏ３、約２０重量％までのＺｒＯ２、約２５重量％までのＬａ（ＮＯ３）・６Ｈ２Ｏを含むことができ、残りは水である。スラリー被覆は約１０〜約１００ミクロンの厚さを有することができる。コロイド分散液は、約１重量％〜約３０重量％のＡｌ２Ｏ３を含むことができ、残りは水である。コロイド分散液被覆は約１〜約５０ミクロンの厚さを有することができる。
【００７６】
ステップ（Ｂ）の間に、被処理担体構造は空気中約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で焼成することができ、一実施形態において約３００〜約７００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。
【００７７】
ステップ（Ｃ）の間に、Ｌａ（ＮＯ３）３を含む溶液を焼成した担体構造の表面に塗工することができる。
【００７８】
ステップ（Ｄ）の間に、被処理担体構造は空気中約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で焼成することができ、一実施形態において約５００〜約１１００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。
【００７９】
ステップ（Ｅ）の間に、Ｒｈ（ＮＯ３）３を含む組成物を焼成した担体構造の表面に塗工することができる。
【００８０】
ステップ（Ｆ）の間に、被処理担体構造は空気中約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で焼成することができ、一実施形態において約４００〜約１１００℃で約０．１〜約１０００時間、一実施形態において約１〜約１０時間である。
【００８１】
燃焼触媒は任意の燃焼触媒を含むことができる。これらは、例えばＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉなどの貴金属、任意のこれらの金属の酸化物、ペロブスカイトおよびアルミン酸塩を含む。一実施形態において、燃焼触媒はＣｅ、Ｔｂ、またはＰｒ、それらの酸化物、およびその組合せなどの増感助触媒を伴う。一実施形態において、助触媒元素は活性触媒元素または複数の活性触媒元素に比較して少なくとも約１：１のモル比で存在し、一実施形態において助触媒元素は活性触媒元素に比較して約０．５：１〜約１０：１のモル比（助触媒モル：活性触媒元素モル）の範囲で存在する。これらの触媒は任意の形状または上述の任意の担体構造に担持することができる。
【００８２】
プロセスマイクロチャネル内での反応物および／または生成物と触媒との接触時間は、約５００ミリ秒までの範囲とすることができ、一実施形態において約０．１ｍｓから約５００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約４００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約３００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約２００ｍｓ、一実施形態において約０．１ｍｓから約１００ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約７５ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約５０ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約２５ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約１０ｍｓ、一実施形態において約１ｍｓから約５ｍｓである。
【００８３】
反応組成物および生成物がプロセスマイクロチャネルを流れる空間速度（またはガスの時間当たり空間速度）は、少なくとも約１００ｈｒ−１（炭化水素のノーマルリットル／時間／反応室のリットル）または少なくとも約１００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）である。空間速度は、プロセスマイクロチャネルの容積基準で約１００〜約２，０００，０００ｈｒ−１または約１００〜約２，０００，０００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）の範囲とすることができる。空間速度は、一実施形態において約５００〜約１，０００，０００ｈｒ−１または約５００〜約１，０００，０００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）の範囲とすることができ、一実施形態において約１０００〜約１，０００，０００ｈｒ−１または約１０００〜約１，０００，０００ｍｌ供給／（触媒ｇ）（ｈｒ）の範囲である。
【００８４】
プロセスマイクロチャネルに入る反応組成物の温度は、約２００℃〜約１０００℃の範囲とすることができ、一実施形態において約１５０℃〜約７００℃、一実施形態において約１５０℃〜約６００℃、一実施形態において約２００℃〜約６００℃である。一実施形態において、温度は約１５０℃〜約５００℃の範囲とすることができ、一実施形態において約１５０℃〜約４００°、一実施形態において約２００℃〜約３００°である。一実施形態において温度は約３３５℃〜約１０００℃の範囲とすることができる。
【００８５】
プロセスマイクロチャネル内の反応組成物および生成物の温度は約１１５０℃までの温度範囲とすることができ、一実施形態において約１１００℃まで、一実施形態において約１０５０℃まで、一実施形態において約１０００℃まで、一実施形態において約９５０℃まで、一実施形態において約９００℃まで、一実施形態において約８５０℃まで、一実施形態において約８００℃まで、一実施形態において約７５０℃まで、一実施形態において約７００℃までである。
【００８６】
プロセスマイクロチャネルに入る反応組成物の圧力は、少なくとも約０．１気圧とすることができ、一実施形態において少なくとも約０．５気圧である。一実施形態において、圧力は約０．１〜約１００気圧の範囲とすることができ、一実施形態において約０．５〜約５０気圧、一実施形態において約１〜約４０気圧、一実施形態において約１〜約３５気圧である。
【００８７】
反応物および／または生成物がプロセスマイクロチャネルを通過する際の反応物および／または生成物の圧力降下は、プロセスマイクロチャネルの長さ１メートル当たり約２気圧（気圧／ｍ）までの範囲とすることができ、一実施形態において約１気圧／ｍまで、一実施形態において約０．５気圧／ｍまで、一実施形態において約０．２気圧／ｍまでである。
【００８８】
プロセスマイクロチャネルを通過する反応組成物および／または生成物の流れは、層流または過渡流（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）とすることができ、一実施形態において層流である。プロセスマイクロチャネルを通過する反応組成物および／または生成物の流れのレイノルド（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）数は、約４０００までとすることができ、一実施形態において約２３００、一実施形態において約１０〜約２０００の範囲、一実施形態において約１００〜約１５００である。
【００８９】
熱交換チャネルに入る熱交換流体の温度は約−７０℃〜約６５０℃とすることができ、一実施形態において約０℃〜約５００℃、一実施形態において約１００℃〜約３００℃である。熱交換チャネルを出る熱交換流体の温度は約−６０℃〜約６３０℃とすることができ、一実施形態において約１０℃〜約４９０℃である。熱交換チャネル中の熱交換流体の滞留時間は、約１〜約１０００ｍｓの範囲とすることができ、一実施形態において約１〜約５００ｍｓ、一実施形態において約１〜約１００ｍｓである。熱交換流体が熱交換チャネルを通過する際の熱交換流体の圧力降下は、約０．０５〜約５０ｐｓｉ／ｆｔの範囲とすることができ、一実施形態において約１〜約２５ｐｓｉ／ｆｔである。熱交換チャネルを通過する熱交換流体の流れは、層流または過渡流とすることができ、一実施形態において層流である。熱交換チャネルを通過する熱交換流体の流れのレイノルド数は、約４０００までとすることができ、一実施形態において約２３００、一実施形態において約１０〜約２０００の範囲、一実施形態において約１０〜約１５００である。
【００９０】
マイクロチャネル反応器を出る生成物の温度は、約１００℃〜約１０００℃の範囲とすることができ、一実施形態において約２００℃〜約８００℃、一実施形態において約３００℃〜約６００℃である。生成物は約５〜約１００ｍｓで約５０℃〜約３００℃、一実施形態において約５０℃〜約２００℃、一実施形態において約５０℃〜約１５０℃、一実施形態において約５０℃〜約１００℃の範囲の温度に、一実施形態においては約５〜約７５ｍｓで、一実施形態においては約５〜約５０ｍｓで、一実施形態においては約１０〜約５０ｍｓで冷却することができる。
【００９１】
本発明の方法の利点は、炭化水素反応物、酸素または酸素源、および触媒の間の接触が最大化されることと、望ましくない反応を最小化することを含む。
【００９２】
本発明の方法の利点は工程を強化できることである。従来技術の従来の工程は暴走反応を防止するために、しばしば反応物を希釈した条件で運転されるが、本発明の工程は、所望であれば、さらに強化条件で運転することができ、処理量がより多くなる。触媒マイクロチャネル加工と熱交換を組み合わせることによって、従来では高い温度と選択性を失うであろうが、熱交換によって急速に熱を取り除くことによって、プロセスマイクロチャネル中の温度を比較的低く、例えば約７００度以下、一実施形態において約６００℃以下、一実施形態において約５００℃以下に維持することのできる、炭化水素供給／酸素の比で運転することが可能であり、したがって所望の生成物への選択性を最大化することができる。
【００９３】
本発明の方法の利点は、マイクロチャネル反応器の寸法のため反応の選択性が高められることを含む。従来寸法の反応器では、ガス相中で均一に進む反応が生成物の総生成量に大きく貢献する。これらの反応は、無差別に起きやすく、しばしばＣＯやＣＯ２、または炭化水素の熱分解生成物などの望ましくない副生成物を招く。例えば、反応混合物がプロパンを含むならば、熱分解同様に全体または部分酸化が起きてエタンとメタンを生成する。
【００９４】
炭化水素反応物の変換レベルは、約５０％またはそれよりも高くすることができ、一実施形態において約６０％またはそれよりも高く、一実施形態において約７０％またはそれよりも高く、一実施形態において約８０％またはそれよりも高い。
【００９５】
所望の生成物の選択性のレベルは、約３０％またはそれよりも高くすることができ、一実施形態において約５０％またはそれよりも高く、一実施形態において約６０％またはそれよりも高く、一実施形態において約７０％またはそれよりも高く、一実施形態において約８０％またはそれよりも高く、一実施形態において約８５％またはそれよりも高く、一実施形態において約９０％またはそれよりも高く、一実施形態において約９５％またはそれよりも高い。一実施形態において、所望の生成物への選択性のレベルは約５０％〜約９５％の範囲とすることができ、一実施形態において約７５％〜約９５％である。
【００９６】
所望の生成物の収率はサイクル当たり約９％またはそれよりも高くすることができ、一実施形態においてサイクル当たり約２０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約４０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約５０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約７０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約８０％またはそれよりも高く、一実施形態においてサイクル当たり約９０％またはそれよりも高い。用語「サイクル」は、本明細書において反応物のプロセスマイクロチャネルへの１回の通過を指す。
【００９７】
一実施形態において、炭化水素反応物の変換レベルは、サイクル当たり少なくとも約３０％であり、所望の生成物の選択性のレベルは少なくとも約３０％であり、所望の生成物の収率はサイクル当たり少なくとも約９％である。
【００９８】
一実施形態において、方法は並列で運転される複数の熱交換チャネルを含む反応器中で行われ、熱交換チャネルを流れる熱交換流体の全圧力降下は約１０気圧までであり、一実施形態において約５気圧までであり、一実施形態において約２気圧までである。
【実施例１】
【００９９】
Ｌａ２Ｏ３で安定化したＡｌ２Ｏ３は以下のゾル−ゲル技術を用いて合成される。２４．７ｇのアルミニウムブトキシドをビーカー中で７４．５ｇの２−ブタノールに一定に攪拌しながら溶解する。もう１個のビーカー中で、４．０ｇのＬａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを５９．７ｇのエタノールに一定に攪拌しながら溶解する。２つの溶液を混合し、１５分間攪拌する。続いて４．４ｇの脱イオンＨ２Ｏを混合物にゆっくり加える。得られた溶液を８０〜１００℃に加熱し、この温度で２時間保つ。この間にアルコールを蒸発させる。得られる固体を１２０℃で一夜乾燥し、４℃／分の昇温および冷却速度で空気中で２４時間１０００℃で焼成する。得られる材料は２２重量％のＬａ２Ｏ３と７８重量％のＡｌ２Ｏ３を有する。そのＢＥＴ表面積および孔容積はそれぞれ６４ｍ２／ｇおよび０．３５ｃｍ３／ｇである。固体を粉砕し８８〜１５０ミクロンの粒子を触媒担体として選別する。
【０１００】
Ｒｈ／Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３触媒を以下のようにして初期湿式含浸によって調製する。０．９６ｇの１０重量％Ｒｈ（ＮＯ３）３溶液を０．８ｇのＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３粒子に滴下する。１２０℃で１時間乾燥した後、サンプルを３．５℃／分の昇温および冷却速度で、５００℃で１時間空気中で焼成する。この含浸方法は１回繰り返す。触媒を８００℃で１時間焼成する。Ｒｈ装填は８．０重量％である。
【０１０１】
３０ｍｇの触媒を管反応器に装填してメタン活性度の部分酸化を試験する。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）を含み、毎分３．４標準リットル（ＳＬＰＭ）である。ガスの毎時空間速度（ＧＨＳＶ）は５．８×１０６ｈ−１である。ＣＨ４変換は、メタン流量の反応前後の差から計算される。ＣＯ選択性は［ＣＯ］／（［ＣＯ］＋［ＣＯ２］）で得られ、Ｈ２選択性は［Ｈ２］／（［Ｈ２］＋［Ｈ２Ｏ］）で計算される。７００℃の管の外皮温度で、８８％のＣＨ４変換、９７％のＣＯ選択性、および９１％のＨ２選択性が得られる。Ｏ２変換は１００％である。
【実施例２】
【０１０２】
Ｌａ２Ｏ３で安定化したＡｌ２Ｏ３は以下のゾル−ゲル技術を用いて合成された。２４．７ｇのアルミニウムブトキシドをビーカー中で７４．５ｇの２−ブタノールに一定に攪拌しながら溶解する。もう１個のビーカー中で、４．０ｇのＬａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを５９．７ｇのエタノールに一定に攪拌しながら溶解する。２つの溶液を混合し、１５分間攪拌する。続いて４．４ｇの脱イオンＨ２Ｏを混合物にゆっくり加える。得られた溶液を８０〜１００℃に加熱し、この温度で２時間保つ。この間にアルコールを蒸発させる。得られる固体を１２０℃で一夜乾燥し、４℃／分の昇温および冷却速度で空気中で２４時間１０００℃で焼成する。得られる材料は２２重量％のＬａ２Ｏ３と７８重量％のＡｌ２Ｏ３を有する。そのＢＥＴ表面積および孔容積はそれぞれ６４ｍ２／ｇおよび０．３５ｃｍ３／ｇである。固体を粉砕し８８〜１５０ミクロンの粒子を触媒担体として選別する。
【０１０３】
Ｒｈ／Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３触媒を以下のようにして初期湿式含浸によって調製する。０．９６ｇの１０重量％Ｒｈ（ＮＯ３）３溶液を０．８ｇのＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３粒子に滴下する。１２０℃で１時間乾燥した後、サンプルを３．５℃／分の昇温および冷却速度で、５００℃で１時間空気中で焼成する。この含浸方法は１回繰り返す。触媒を１０００℃で１時間焼成する。Ｒｈ装填は８．０重量％である。
【０１０４】
３０ｍｇの触媒を管反応器に装填してメタン活性度の部分酸化を試験する。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は３．４ＳＬＰＭで２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）を含む。ＧＨＳＶは５．８×１０６ｈ−１である。管の外皮の温度は７００℃である。９０％のＣＨ４変換、９７％のＣＯ選択性、および８７％のＨ２選択性が得られる。Ｏ２変換は１００％である。方法は２６０時間行われる。結果を図８に示す。
【０１０５】
これらの試験結果はこの触媒が非常に安定であることを示す。図８に示すように、ＣＨ４変換、ＣＯ選択性、およびＨ２選択性は２６０時間の経過時間中実質上変化しない。これらの結果はＲｈ／Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３触媒が、極めて高い空間速度で、メタンのＣＯとＨ２への部分酸化において非常に活性が高いことを示す。
【実施例３】
【０１０６】
図７は、プロセスマイクロチャネル中で部分酸化反応方法を行うために有用なフィンの幾何形状を示す。フィンの台形形状はフィンの基底に機械的な剛性を与える。フィンのすべては矩形の基底上に支持され、フィンの熱伝達特性を高める。フィンはワイヤＥＤＭ法を用いてＦｅＣｒＡｌＹから作製される。次の表はフィンの寸法をまとめたものである。
【表１】
【０１０７】
Ａｌ２Ｏ３スラリーは７．２ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉、１２ｇの脱イオンＨ２Ｏ、および４２ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを混合することによって調製される。ｐＨ値は硝酸を用いて３．５〜４に調節する。Ａｌ２Ｏ３は酸性γＡｌ２Ｏ３であり、１５０マイクロメートルより小さな粉に粉砕する。混合物を８時間ボールミルで粉砕する。０．８ｇの２５重量％Ａｌ２Ｏ３ゾル（Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）を４．２ｇのスラリーに攪拌しながら加える。
【０１０８】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温に冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液で２０分間超音波をかけて洗浄する。次いでフィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成の後、高密度Ａｌ２Ｏ３層が形成される。Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。Ａｌ２Ｏ３スラリーは浸漬によってフィン上にウォッシュコートされる。過剰のスラリーは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥され、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。表面のＬａ２Ｏ３はＡｌ２Ｏ３を安定化する。スラリーの装填はフィン当たり２５．４ｍｇである。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンに担持された、得られる触媒は１２０℃で１時間乾燥し、次いで１０００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり４．８ｍｇである。
【０１０９】
フィンに担持された触媒は、ペレットで、メタンの１気圧での合成ガスへの部分酸化について試験する。ペレットは直径０．５インチ、長さ２インチの円筒状の金属棒である。ペレットは、中心に矩形のマイクロチャネル切断部を有する。切断部はその内部軸に沿って棒の長さ全体を展延する。切断部は０．０５インチの高さおよび０．１８インチの幅を有する。担持触媒を試験のため切断部に置く。切断部の両側に気密性接続を設ける。反応物は配管から切断部へ流入し、切断部を通ってフィンに担持された触媒と接触する。ペレットは炉中に置かれる。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８５０℃に保つように昇温される。炉の入口の供給流の温度は室温であり、ペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下はＣａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定される。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンに担持された触媒の性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。
ＣＨ４変換（％）＝（ＶＣＨ４，ｉｎ−ＶＣＨ４，ｏｕｔ）／（ＶＣＨ４，ｉｎ）×１００
Ｈ２選択性（％）＝（ＶＨ２，ｏｕｔ測定値）／（ＶＨ２，ｏｕｔ理論値）×１００
ＣＯ選択性（％）＝（ＶＣＯ，ｏｕｔ）／（ＶＣＯ２，ｏｕｔ＋ＶＣＯ２，ｏｕｔ）×１００
【０１１０】
触媒を使用する前にＨ２で４００℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量２０３０ｍｌ／分である（標準条件）。接触時間は３．３ｍｓである。接触時間は容積流量に対するフィンのないペレット中の流れ容積の比として定義される。以下の表はフィンに担持された触媒の１５７時間運転後の性能を示す。
【表２】
【実施例４】
【０１１１】
部分酸化反応方法に使用する代替のフィンは圧力降下を少なくする利点を提供する。流動面積はフィンの数を低減することによって増加する。フィン支持対から突出する５個のフィンがある。フィンは図７に示すように台形断面を有する。フィンの台形形状と共にフィンの厚さはフィンの基底で機械的な剛性を提供する。フィンは矩形の担体または基底部に支持されフィンの熱伝達特性を高める。フィンはＦｅＣｒＡｌＹから作られる。フィンはワイヤＥＤＭ法によって作製される。以下の表にフィンの寸法をまとめる。
【表３】
【０１１２】
Ａｌ２Ｏ３スラリーは７．２ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉、１２ｇの脱イオンＨ２Ｏ、および４２ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを混合することによって調製される。ｐＨ値は硝酸を用いて３．５〜４に調節する。Ａｌ２Ｏ３は酸性γＡｌ２Ｏ３であり、１５０マイクロメートルより小さな粉に粉砕される。混合物を８時間ボールミルで粉砕する。０．８ｇの２５重量％Ａｌ２Ｏ３ゾル（Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）を４．２ｇのスラリーに攪拌しながら加える。
【０１１３】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温に冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。Ａｌ２Ｏ３スラリーが浸漬によってフィン上にウォッシュコートされる。過剰のスラリーは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってスラリーを被覆したフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。スラリーの装填はフィン当たり６．０ｍｇである。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで１０００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり１．０ｍｇである。
【０１１４】
得られるフィンに担持された触媒を、実施例３に述べたペレットで、メタンの１気圧での合成ガスへの部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８０５℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下は、入口と出口の圧力の間の差である。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。以下の表に１１５時間の運転後のフィンの触媒性能をまとめる。
【表４】
【実施例５】
【０１１５】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンは鋸切断法によって作製され、触媒性能が試験される。以下の表にフィンの寸法をまとめる。
【表５】
【０１１６】
Ａｌ２Ｏ３スラリーは７．２ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉、１２ｇの脱イオンＨ２Ｏ、および４２ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを混合することによって調製される。ｐＨ値は硝酸を用いて３．５〜４に調節する。Ａｌ２Ｏ３は酸性γＡｌ２Ｏ３であり、１５０マイクロメートルより小さな粉に粉砕される。次いで、混合物を８時間ボールミルで粉砕する。０．８ｇの２５重量％Ａｌ２Ｏ３ゾル（Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）を４．２ｇのスラリーに攪拌しながら加える。
【０１１７】
ＦｅＣｒＡｌＹフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温に冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液で２０分間超音波をかけて洗浄する。次いで、フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。Ａｌ２Ｏ３スラリーが浸漬によってフィン上にウォッシュコートされる。過剰のスラリーは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってスラリーを被覆したフィン上に含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。スラリーの装填はフィン当たり１８．７ｍｇである。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで１０００℃で４時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり３．２ｍｇである。
【０１１８】
得られるフィンに担持された触媒を、実施例３に述べたペレットで、メタンの１気圧での部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。触媒は使用する前にＨ２で４００℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量（標準条件）２３７２ｍｌ／分である。接触時間は３．３である。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８５０℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下はＣａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定される。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。以下の表に、担持触媒の４００時間運転後の性能をまとめる。
【表６】
【実施例６】
【０１１９】
実施例５のフィンと同じ寸法を有するフィンをイソプロパノール中で２０分間超音波をかけて洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温まで冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液中で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成後、高密度のＡｌ２Ｏ３層が形成される。Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。Ａｌ２Ｏ３ゾル（２５重量％、Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）が浸漬によってフィン上に被覆される。過剰のゾルは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。ゾル被覆方法はフィン当たり１７ｍｇのＡｌ２Ｏ３装填が達成されるまで３〜４回繰り返す。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥され、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで５００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ（ＮＯ３）３溶液被覆は１回繰り返し、フィンを１０００℃で４時間焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり５．２ｍｇである。
【０１２０】
得られるフィンに担持された触媒を、実施例３に述べたペレットを用いて、メタンの１気圧での合成ガスへの部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量（標準条件）２３６１ｍｌ／分であった。接触時間は３．３ｍｓである。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８００℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。ペレット中の圧力降下はＣａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定される。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。以下に、フィンに担持された触媒の６００時間定常運転後の性能を示す。
【表７】
【０１２１】
前述のフィンに担持された触媒をｎ―ブタンとＣＨ４の燃料混合物で試験する。供給ガスは、７．２％のＣＨ４、７．２％のｎ−ブタン、および８５．６％の空気を含み、総流量２０９１ｍｌ／分である。４カラムガスクロマトグラフを用いて出口ガス組成物の分析を行う。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８００℃に保つように調節される。フィンに担持された触媒の３００時間運転後の性能を以下にまとめる。
【表８】
【実施例７】
【０１２２】
実施例３のフィンと同じ寸法を有するフィンをイソプロパノール中で超音波をかけて２０分間洗浄する。１００℃で１時間乾燥し室温まで冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液中で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成後、高密度のＡｌ２Ｏ３層が形成される。Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。Ａｌ２Ｏ３ゾル（２５重量％、Ｓａｓｏｌ １４Ｎ４−２５）が浸漬によってフィン上に被覆される。過剰のゾルは被覆された表面に空気を噴射して除去される。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で４５０℃４時間焼成する。ゾル被覆方法はフィン当たり２２ｍｇのＡｌ２Ｏ３装填が達成されるまで４〜５回繰り返す。７．５重量％のＬａ（ＮＯ３）３溶液を浸漬によってフィンに含浸する。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、次いで昇温および冷却速度３．５℃／分で１０００℃４時間空気中で焼成する。１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィンの上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。フィンは１２０℃で１時間乾燥し、１０００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり１．５ｍｇである。
【０１２３】
得られるフィンに担持された触媒は、実施例３に述べたペレットを用いて、メタンの１気圧でのＣＯとＨ２への部分酸化について試験する。ペレットは炉中に置かれる。触媒は使用する前にＨ２で４５０℃３０分間還元する。供給ガス組成物は２９．６％のＣＨ４と７０．４％の空気（ＣＨ４／Ｏ２＝２／１）であり、総流量（標準条件）２０３０ｍｌ／分である。炉の温度はペレットの中間長さ部の外皮温度を８５０℃に保つように調節される。炉の入口の供給流の温度は室温である。供給流はペレットに入る前に予備加熱される。炉の入口からペレットまでの配管の長さは１０フィートである。生成物流の出口圧力は大気圧である。接触時間は３．３ｍｓである。ペレット中の圧力降下は、Ｃａｐｓｕｈｅｌｉｃ差動圧力計で測定して３．７ｐｓｉである。生成物の組成物を２カラムガスクロマトグラフで分析する。フィンの性能をＣＨ４変換、Ｈ２選択性、およびＣＯ選択性について測定する。図９に結果を示す。
【０１２４】
試験結果は、この触媒が安定であることを示す。図９に示すように、ＣＨ４変換、ＣＯ選択性、およびＨ２選択性は８４０時間の経過時間中実質上変化しない。
【実施例８】
【０１２５】
溶接したインコネル反応器を作製してメタン燃焼性能を試験する。反応器は燃焼用の２個の平行なチャネルを含む。各チャネルは幅０．１６０インチ、および高さ０．０２５インチである。反応器の長さは７．００インチである。チャネルはチャネル間の０．０６０インチのリブで分離される。燃焼チャネルの一方の側に、同一の１対のチャネル（空気チャネルと呼ぶ）を配置し、燃料の燃焼に必要な空気が流れる。燃焼チャネルおよび空気チャネルは、反応器の長さに沿って間隔を置く１２個の円形オリフィス（直径０．０１２インチ）を有するオリフィスプレートによって分離され、燃料に空気を分配する。オリフィスは不均一な間隔を置き、燃焼チャネルへ空気を分配する。第１オリフィスは反応器の始まりに配置される。後続のオリフィスは、第１オリフィスから０．２５２インチ、０．５５５インチ、０．９０５インチ、１．３０４インチ、１．７５１インチ、２．２４８インチ、２．７９４インチ、３．３９３インチ、４．０４７インチ、４．７６０インチ、５．５２８インチの距離に配置される。燃焼チャネルの他の側には、単一の熱交換チャネルが配置され、燃焼熱放散として機能する流体を輸送する。チャネルは幅０．３８０インチおよび高さ０．０１２インチである。チャネルの長さは燃焼チャネルの長さと同じである。異なるチャネルの配置を図１０に示す。
【０１２６】
燃焼チャネルは溶液コーティングで燃焼触媒が被覆される。デバイスは最初に空気中で１０００℃１時間焼成して表面にクロミア層を形成する。加熱および冷却速度は３．５℃／分である。続いて、５．７重量％のＰｄ（ＮＯ３）２および４３重量％のＣｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを含む溶液をチャネルにドーピングする。過剰の溶液は圧縮空気で吹き払う。次いで被覆されたチャネルを１００℃で１時間乾燥する。Ｐｄ被覆方法は２回繰り返す。次いで、被覆されたチャネルを空気中で８５０℃１時間焼成する。
【０１２７】
燃焼に用いる燃料はメタンである。燃焼チャネルへのメタンの総流量は毎分１．０標準リットル（ＳＬＰＭ）である。空気チャネル中の総空気流量は１１．５ＳＬＰＭである。空気はそれを燃料と混合する前に反応器温度まで予備加熱される。蒸気メタン精製反応によって熱放散が提供される。放散チャネル（ＳＭＲチャネルと呼ぶ）は蒸気メタン精製（ＳＭＲ）触媒で被覆される。１．０９ＳＬＰＭおよび２．６３ｃｃの水蒸気の混合物をＳＭＲチャネルに流す。ＳＭＲチャネルの流れの入口温度は８００℃〜８５０℃である。燃焼チャネルの平均温度は８５０℃〜９２５℃である。燃焼チャネルの容積に基づく接触時間は４．４ｍｓである。燃焼チャネル中のメタン変換は、
ＣＨ４変換（％）＝（ＶＣＨ４，ｉｎ−ＶＣＨ４，ｏｕｔ）／（ＶＣＨ４，ｉｎ）×１００
で計算される。燃焼触媒については、メタン変換は平均温度８６２℃で３０．６％である。このデバイスでは、平均９．３Ｗ／ｃｍ２がＳＭＲ反応へ伝達される。燃焼チャネル中の圧力降下は２．５〜５．０ｐｓｉである。
【実施例９】
【０１２８】
他のインコネル反応器デバイスを作製し、担持された部分酸化触媒を用いて燃焼性能を試験する。デバイスは、総部分酸化および燃焼チャネルの長さを除いて、実施例８で用いたマイクロチャネル反応器と同じ燃焼チャネルおよび空気チャネル寸法を有する。図１１に示すフィンのような鋸歯状の金属シートが用いられる。２個のフィンが２個の部分酸化および燃焼チャネルの始まりに導入される。部分酸化および燃焼チャネルの総長さはフィンを収容するために８．５インチであり、フィンは長さ１．５インチ、後続の燃焼チャネルは長さ７インチである。フィンはＦｅＣｒＡｌＹから作られる。フィンの寸法を以下の表にまとめる。
【表９】
【０１２９】
フィンはメタンを燃焼前にＣＯとＨ２へ変換するために部分酸化触媒で被覆される。フィンはイソプロパノール中で超音波をかけて２０分間洗浄される。１００℃で１時間乾燥し室温まで冷却した後、フィンを２０重量％のＨＮＯ３溶液中で２０分間超音波をかけて洗浄する。フィンをｐＨ値が７になるまで脱イオン水で洗う。１２０℃で１時間乾燥した後、フィンを昇温速度３．５℃／分で、１０００℃で空気中で加熱し、１０００℃で８時間空気中で焼成する。焼成後、高密度のＡｌ２Ｏ３層が形成され、Ａｌ２Ｏ３層は保護皮膜として機能し、被覆とフィンの間の接着も高める。また、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２を含有するスラリーを被覆用に調製する。１０ｇのＺｒＯ２粉と、５５ｇの脱イオンＨ２Ｏと、１．２ｍｌの濃硝酸と、２００ｇの直径３ｍｍのＡｌ２Ｏ３ビーズを容器中で混合する。次いで、混合物を２日間ボールミルで粉砕する。その後、２．０ｇのＺｒＯ２スラリーと、０．５４ｇのγ−Ａｌ２Ｏ３粉と、０．４６ｇのＬａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏと、０．５ｇのＨ２Ｏとを攪拌しながら混合する。酸性γ−Ａｌ２Ｏ３であるＡｌ２Ｏ３を５３ミクロンよりも小さな粉に粉砕する。続いて、上記Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２スラリーを浸漬によってフィンにウォッシュコートする。スラリーを被覆したフィンを１２０℃で１時間乾燥し、次いで加熱および冷却速度３．５℃／分で１０００℃で１時間焼成する。スラリー装填はフィン当たり６．４ｍｇである。その後、１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液をフィン上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。最終的にスラリーを被覆した触媒は１２０℃で１時間乾燥し、５００℃で１時間空気中で焼成する。Ｒｈ装填はフィン当たり約０．６ｍｇである。
【０１３０】
燃焼チャネルにおいて、燃料中に空気を分配するためのオリフィスプレートは、オリフィス数を１７個に増加すること、および非円形オリフィスの導入によって修正される。第１オリフィスは、燃焼チャネル中に、部分酸化ゾーンの後方０．０１インチ〜０．２０インチの距離に配置される。第１オリフィスは直径０．０１２インチの半円形末端部を有する矩形のスロットからなる。スロットの最大長さは流れ方向にある。第２オリフィスは、０．０１２インチの側部長さを有する正三角形の形状であり、第１オリフィスから０．１３３インチの距離に配置される。第３および第４オリフィスは第１オリフィスから０．２６７インチの距離に配置された直径０．０１２インチの孔である。第５オリフィスは、再び第１オリフィスから０．３８６インチの距離に配置された三角形スロットである。第６オリフィスから第１５オリフィスは、直径０．０１２インチの円形孔であり、第１オリフィスから０．５９４インチ、０．７６９インチ、０．９６９インチ、１．１６８インチ、１．６１５インチ、２．１１２インチ、２．６５８インチ、３．２５７インチ、３．２５７インチ、３．８５７インチ、４．６２４インチに配置される。第１６オリフィスおよび第１７オリフィスは直径０．０１２インチの孔であり第１オリフィスから５．３９２インチの位置である。このオリフィスのパターンは、理想的な酸素当量比０．５を与え、
【数１】
で定義される。式中、ＹＯ２は酸素のモル割合であり、ＹＯ２，ｓｔｏｉｃは完全な燃焼に必要な化学量論的酸素モル割合である。
【０１３１】
燃焼チャネルは燃焼触媒で被覆される。デバイスは最初に空気中で１０００℃で３時間焼成し、表面にクロミア層を形成する。加熱および冷却速度は３．５℃／分である。次いで、１０重量％のＲｈ（ＮＯ３）３溶液を燃焼チャネル上に滴下し、過剰の溶液を圧縮空気で吹き払う。１００℃で１時間乾燥した後、被覆したチャネルを８００℃で１時間空気中で焼成する。続いて、５．７重量％のＰｄ（ＮＯ３）２と４３重量％のＣｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏを含む溶液をチャネル上に滴下する。過剰の溶液は圧縮空気で吹き払う。次いで、被覆したチャネルを１００℃で１時間乾燥する。Ｐｄ被覆方法は１回繰り返す。次いで、被覆したチャネルを１０００℃で１時間焼成する。最終的に１０重量％のＰｔ（ＮＨ３）４（ＮＯ３）２溶液をチャネル上に滴下する。１００℃で１時間乾燥した後、被覆したチャネルを９００℃で１時間空気中で焼成する。
【０１３２】
部分酸化と燃焼反応とを一体化した反応器の性能を試験する。２個の燃焼チャネル中のメタン総流量は１．３３ＳＬＰＭである。部分酸化チャネル中のＣＨ４：Ｏ２比が２：１となるように、メタンは空気と予備混合される。空気チャネル中の空気の総流量は１０．９ＳＬＰＭである。空気は燃料に混合する前に反応器の温度まで予備加熱される。熱放散が蒸気メタン精製反応によって提供される。放散チャネル（ＳＭＲチャネルと呼ぶ）は蒸気メタン精製（ＳＭＲ）触媒で被覆される。２．１８ＳＬＰＭおよび５．２７ｃｃの水蒸気の混合物がＳＭＲチャネルを流れる。ＳＭＲチャネルの流れの入口温度は８００℃〜８５０℃である。平均部分酸化ゾーン温度は７５０℃〜８００℃であり、平均燃焼ゾーン温度は８５０℃〜９２５℃である。燃焼チャネルの容積に基づいて、燃焼チャネル中の接触時間は４．５ｍｓである。総ＣＨ４変換は９２．２％であり、部分酸化触媒のないものと比較して６１．６％の増加である。これは、部分酸化がメタン燃焼を大きく助けていることを示す。このデバイスでは平均１８．８Ｗ／ｃｍ２がＳＭＲ反応へ伝達される。燃焼チャネル中の圧力降下は２．５〜５．０ｐｓｉである。
【０１３３】
本発明を様々な詳細な実施形態について説明したが、当業者であれば、本明細書を読めばその様々な変更が明らかになることを理解すべきである。したがって、本明細書に開示した本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるそれらの変更を包含することを意図していると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】炭化水素反応物と酸素または酸素源がマイクロチャネル反応器中で本発明の触媒に接触して反応し、水素と酸化炭素を含む生成物を形成する、本発明の部分酸化方法の特定の形を示すフロー概要図である。
【図２】本発明の部分酸化方法に使用されるマイクロチャネル反応器の特定の形の動作を示すフロー概要図である。
【図３】本発明の部分酸化方法に使用される、側流（ｆｌｏｗ−ｂｙ）構成を有する触媒を含むプロセスマイクロチャネルの概要図である。
【図４】本発明の部分酸化方法に使用される、貫通流（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）構成を有する触媒を含むプロセスマイクロチャネルの概要図である。
【図５】本発明の部分酸化方法に使用される、複数のフィンを含み本発明の触媒がフィンによって担持されるフィン組立体を含むプロセスマイクロチャネルの概要図である。
【図６】図５に示したプロセスマイクロチャネルおよびフィン組立体の代替の実施形態を示す図である。
【図７】図５に示したフィン組立体の代替の実施形態を示す図である。
【図８】実施例２に開示した試験において、時間に対する工程性能のプロット図である。
【図９】実施例７に開示した試験において、時間に対する工程性能のプロット図である。
【図１０】実施例８に開示した試験において、使用したマイクロチャネル反応器のチャネル配置を示す図である。
【図１１】実施例９に用いたマイクロチャネル反応器のフィン組立体を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素反応物をＣＯとＨ２からなる生成物に変換する方法であって、
（Ａ）該炭化水素反応物および酸素または酸素源からなる反応組成物をマイクロチャネル反応器に流し、反応条件下で触媒に接触させて該生成物を形成するステップからなり、該マイクロチャネル反応器が少なくとも１つのプロセスマイクロチャネルからなり、該触媒が該プロセスマイクロチャネル内に配置され、該炭化水素反応物がメタンからなり、該プロセスマイクロチャネル内の該反応組成物の接触時間が約５００ミリ秒以下であり、該プロセスマイクロチャネル内の該反応組成物と生成物の温度が約１１５０℃以下であり、該炭化水素反応物の変換が少なくとも約５０％である方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、ステップ（Ａ）の間、前記触媒は部分酸化触媒であり、ステップ（Ａ）で形成された前記生成物は中間生成物であり、さらにステップ（Ａ）に続く以下の追加のステップ、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成された該中間生成物をマイクロチャネル反応器に流し、反応条件下で燃焼触媒に接触させてＣＯ２とＨ２Ｏからなる最終生成物を形成するステップからなる方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物がさらにＨ２Ｏからなり、前記生成物がＨ２、ＣＯ、ＣＯ２からなる方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物がステップ（Ａ）の前に予備加熱される方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物と酸素または酸素源がステップ（Ａ）の前に混合される方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物と酸素または酸素源がステップ（Ａ）の間に混合される方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記マイクロチャネル反応器が、前記触媒を含む複数のプロセスマイクロチャネルと、流体を該プロセスマイクロチャネルへ流入させる流路を提供するヘッダと、流体を該プロセスマイクロチャネルから離れさせる流路を提供するフッタとからなる方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、各プロセスマイクロチャネルが約１０ｍｍ以下の幅と高さの内部寸法を有する方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルの各々が、入口と、出口と、該入口と該出口の間に展延する伸張部分とからなり、前記プロセスマイクロチャネルがさらに該伸張部分における少なくとも１つの追加の入口からなり、少なくとも１種の反応物が該少なくとも１つの追加の入口を経て前記プロセスマイクロチャネルへ流入する方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルが、鋼、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の方法において、前記マイクロチャネル反応器がさらに前記プロセスマイクロチャネルに熱的に接触している熱交換チャネルからなる方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、前記熱交換チャネルがマイクロチャネルからなる方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、各熱交換チャネルが約１０ｍｍ以下の幅と高さの内部寸法を有する方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法において、前記熱交換マイクロチャネルが、鋼、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法において、少なくとも１つの追加の入口を経て前記プロセスマイクロチャネルへ流入する前記少なくとも１種の反応物が酸素または酸素源からなる方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物が脂肪族化合物、芳香族化合物、またはその混合物をさらに含む方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに分子当たり２〜約２０個の炭素原子を含むアルカンからなる方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにエタン、プロパン、イソプロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物が天然ガスからなる方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに２〜約２０個の炭素原子を含むアルケンからなる方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにエチレン、プロピレン、１−ブテン、２−ブテン、イソブチレン、１−ペンテン、２−ペンテン、３−メチル−１−ブテン、２−メチル−２−ブテン、１−ヘキセン、２，３−ジメチル−２−ブテン、１−へプテン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項２２】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに３〜約２０個の炭素原子からなる方法。
【請求項２３】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに１，２−プロパジエン、１，３−ブタジエン、２−メチル−１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、１，４−ペンタジエン、１，５−ヘキサジエン、２，４−ヘキサジエン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項２４】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにアルキルまたはアルキレン置換芳香族化合物からなる方法。
【請求項２５】
請求項１に記載の方法において、炭化水素反応物がトルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ヘミメリテン、プソイドクメン、メシチレン、プレーニテン、イソジュレン、ジュレン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、エチルベンゼン、ｎ−プロピルベンゼン、クメン、ｎ−ブチルベンゼン、イソブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン、ｐ−シメン、スチレン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項２６】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに天然油、合成油、またはその混合物からなる方法。
【請求項２７】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物が蒸留燃料からなる方法。
【請求項２８】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにナフサ、ディーゼル燃料、燃料油、ケロセンまたはガソリンからなる方法。
【請求項２９】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに植物原料、鉱物原料、またはその混合物に由来する炭化水素からなる方法。
【請求項３０】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに大豆、菜種、ヤシ、頁岩、石炭、タール砂、またはその２種以上の混合物に由来する炭化水素からなる方法。
【請求項３１】
請求項１に記載の方法において、前記酸素源が空気からなる方法。
【請求項３２】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物がさらに希釈材料からなる方法。
【請求項３３】
請求項１１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルが前記熱交換チャネルを流れる熱交換流体と熱を交換する方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法において、前記熱交換流体が前記熱交換チャネルを流れる際に相変化を起こす方法。
【請求項３５】
請求項１１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルが前記熱交換チャネル中で行われる吸熱化学反応によって冷却される方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、前記吸熱化学反応が蒸気改質反応または脱水素反応からなる方法。
【請求項３７】
請求項１１に記載の方法において、前記反応組成物が前記プロセスマイクロチャネルを第１方向に流れ、熱交換流体が前記熱交換チャネルを第２方向に流れ、該第２方向が該第１方向に対して向流である方法。
【請求項３８】
請求項１１に記載の方法において、前記反応組成物が前記プロセスマイクロチャネルを第１方向に流れ、熱交換流体が前記熱交換チャネルを第２方向に流れ、該第２方向が該第１方向に対して並流である方法。
【請求項３９】
請求項１１に記載の方法において、前記炭化水素反応組成物が前記プロセスマイクロチャネルを第１方向に流れ、熱交換流体が前記熱交換チャネルを第２方向に流れ、該第２方向が該第１方向に対して向流である方法。
【請求項４０】
請求項１１に記載の方法において、前記熱交換流体が前記方法熱交換チャネルを流れ、該熱交換流体が空気、蒸気、液体、水、二酸化炭素、気体窒素、液体窒素、気体炭化水素または液体炭化水素からなる方法。
【請求項４１】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が粒子状固体の形である方法。
【請求項４２】
請求項１に記載の方法において、前記触媒がＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅからなる合金、またはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる合金からなる材料から作られた担体構造によって担持される方法。
【請求項４３】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が側流構成、貫通流構成、または蛇行構成を有する担体構造によって担持される方法。
【請求項４４】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が発泡体、フェルト、ワッド、フィン、またはその２種以上の組合わせの構成を有する担体構造によって担持される方法。
【請求項４５】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が隣接する間隙を備える側流構成、隣接する間隙を備える発泡体構成、間隙を備えるフィン構造、基材上のウォッシュコート、または流動用の間隙を備える金網構成を有する担体構造によって担持される方法。
【請求項４６】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が少なくとも１個のフィンからなるフィン組立体の形の担体構造に担持される方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、前記フィン組立体が複数の平行な間隔を置くフィンからなる方法。
【請求項４８】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが外部表面を有し、多孔質材料が前記フィンの該外部表面の少なくとも一部を被覆し、前記触媒が該多孔質材料によって担持される方法。
【請求項４９】
請求項４８に記載の方法において、前記多孔質材料がコーティング、繊維、発泡体、またはフェルトからなる方法。
【請求項５０】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが外部表面を有し、複数の繊維または突起が前記フィンの該外部表面の少なくとも一部から展延し、前記触媒が該突起によって担持される方法。
【請求項５１】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが外部表面を有し、前記触媒が、前記フィンの該外部表面の少なくとも一部上にウォッシュコートされるか、前記フィンの該外部表面の少なくとも一部上に溶液から成長するか、あるいは前記フィンの該外部表面の少なくとも一部上に蒸着を用いて堆積される方法。
【請求項５２】
請求項４６に記載の方法において、前記フィン組立体が複数の平行な間隔を置くフィンからなり、該フィンの少なくとも１個が他の該フィンの長さとは異なる長さを有する方法。
【請求項５３】
請求項４６に記載の方法において、前記フィン組立体が複数の平行な間隔を置くフィンからなり、該フィンの少なくとも１個が他の該フィンの高さとは異なる高さを有する方法。
【請求項５４】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが正方形または矩形の形状の断面を有する方法。
【請求項５５】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが台形の形状の断面を有する方法。
【請求項５６】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが鋼、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項５７】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅからなる合金、またはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる合金から作製される方法。
【請求項５８】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンがＡｌ２Ｏ３形成材料から作製される方法。
【請求項５９】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンがＣｒ２Ｏ３形成材料から作製される方法。
【請求項６０】
請求項１に記載の方法において、前記触媒がＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、またはその酸化物、あるいはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項６１】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が下記式で表される組成物からなり、前記触媒は前記プロセスマイクロチャネルの内部壁上にコーティングされるか、あるいは前記プロセスマイクロチャネル内に配置された発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される方法。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは約０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項６２】
請求項２に記載の方法において、前記燃焼触媒が貴金属またはその酸化物、ペロブスカイトあるいはアルミン酸塩からなる方法。
【請求項６３】
請求項６２に記載の方法において、前記燃焼触媒がさらにＣｅ、Ｔｂ、もしくはＰｒ、またはその酸化物、あるいはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項６４】
請求項２に記載の方法において、前記燃焼触媒が、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはその酸化物、あるいはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項６５】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物および／または生成物と前記触媒との接触時間が約０．１ミリ秒〜約１００秒である方法。
【請求項６６】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルに流入する前記反応組成物の温度が約２００℃〜約１０００℃の範囲である方法。
【請求項６７】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルに流入する前記反応組成物の圧力が約０．１〜約１００気圧の範囲である方法。
【請求項６８】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルを流れる前記反応組成物および生成物の空間速度が少なくとも約１００ｈｒ−１である方法。
【請求項６９】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルを流れる前記反応組成物および生成物の圧力降下が、前記プロセスマイクロチャネルの長さ１メートル当たり約２気圧以下である方法。
【請求項７０】
請求項１１に記載の方法において、熱交換流体が前記熱交換チャネルを流れ、前記熱交換チャネルを流れる該熱交換流体の全圧力降下が約１０気圧以下である方法。
【請求項７１】
炭化水素反応物をＨ２とＣＯからなる生成物に変換する方法であって、
（Ａ）該炭化水素反応物および酸素または酸素源からなる反応組成物をマイクロチャネル反応器に流して、反応条件下で触媒に接触させて該反応組成物を該生成物に変換するステップからなり、該炭化水素反応物はメタンからなり、該触媒は下記式で表される組成物からなり、該触媒は該プロセスマイクロチャネルの内部壁上にコーティングされるか、あるいは該プロセスマイクロチャネル内に配置された発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される方法。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは約０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項７２】
下記式で表される組成物からなる触媒であって、基材上にコーティングされるか、あるいは発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される触媒。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは約０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項７３】
請求項６７に記載の触媒において、Ｍ１がＲｈまたはＮｉである触媒。
【請求項７４】
請求項７２に記載の触媒において、Ｍ１がＲｈである触媒。
【請求項７５】
請求項７２に記載の触媒において、Ｍ３がＬａまたはＭｇである触媒。
【請求項７６】
下記式で表される組成物からなる触媒。
ＲｈａＬａｃＡｌｄＯｘ
式中、ａは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項７７】
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３の層を担体構造の少なくとも一部に塗工するステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）で形成した焼成担体構造の表面に助触媒または安定剤を塗工して被処理担体構造を形成するステップであって、該助触媒または安定剤がＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその酸化物もしくは硝酸塩、あるいはその２種以上の混合物からなるステップと、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で形成した焼成担体構造の表面に触媒金属またはその酸化物もしくは硝酸塩を塗工して、被処理担体構造を形成するステップであって、該触媒金属がＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物からなるステップと、
（Ｆ）ステップ（Ｅ）で形成した被処理担体構造を焼成して担持触媒を形成するステップからなる、担持触媒の作製方法。
【請求項７８】
請求項７７に記載の方法において、前記ステップ（Ｆ）で形成された担持触媒が水素中で還元される方法。
【請求項７９】
請求項７７に記載の方法において、前記担体構造が鋼、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項８０】
請求項７７に記載の方法において、前記担体構造がＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる合金から作製され、前記天然酸化物層がＡｌ２Ｏ３からなる方法。
【請求項８１】
請求項７７に記載の方法において、前記担体構造がＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅからなる合金から作製され、前記天然酸化物層がＣｒ２Ｏ３からなる方法。
【請求項８２】
請求項７７に記載の方法において、前記助触媒または安定剤がＬａまたはＭｇからなる方法。
【請求項８３】
請求項７７に記載の方法において、前記助触媒または安定剤がＬａからなる方法。
【請求項８４】
請求項７７に記載の方法において、前記触媒金属がＲｈからなる方法。
【請求項８５】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ａ）の前に、前記担体構造が約３００℃〜約１４００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間加熱される方法。
【請求項８６】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ａ）の間に、Ａｌ２Ｏ３からなるスラリーが前記天然酸化物層の上に塗工される方法。
【請求項８７】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ａ）の間に、Ａｌ２Ｏ３からなるコロイド分散液が前記天然酸化物層の上に塗工される方法。
【請求項８８】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｂ）の間に、前記被処理担体構造が約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間焼成される方法。
【請求項８９】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｃ）の間に、Ｌａ（ＮＯ３）３からなる溶液が前記焼成担体構造の前記表面に塗工される方法。
【請求項９０】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｄ）の間に、前記被処理担体構造が約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間焼成される方法。
【請求項９１】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｅ）の間に、Ｒｈ（ＮＯ３）３からなる組成物が前記焼成担体構造の前記表面に塗工される方法。
【請求項９２】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｆ）の間に、前記被処理担体構造が約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間焼成される方法。
【請求項９３】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が式Ｒｈ／ＬａＡｌ１１Ｏ１８またはＲｈ／ＬａＡｌＯ３で表される方法。
【請求項９４】
請求項７６に記載の触媒において、前記触媒が式Ｒｈ／ＬａＡｌ１１Ｏ１８またはＲｈ／ＬａＡｌＯ３で表される触媒。
【請求項１】
炭化水素反応物をＣＯとＨ２からなる生成物に変換する方法であって、
（Ａ）該炭化水素反応物および酸素または酸素源からなる反応組成物をマイクロチャネル反応器に流し、反応条件下で触媒に接触させて該生成物を形成するステップからなり、該マイクロチャネル反応器が少なくとも１つのプロセスマイクロチャネルからなり、該触媒が該プロセスマイクロチャネル内に配置され、該炭化水素反応物がメタンからなり、該プロセスマイクロチャネル内の該反応組成物の接触時間が約５００ミリ秒以下であり、該プロセスマイクロチャネル内の該反応組成物と生成物の温度が約１１５０℃以下であり、該炭化水素反応物の変換が少なくとも約５０％である方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、ステップ（Ａ）の間、前記触媒は部分酸化触媒であり、ステップ（Ａ）で形成された前記生成物は中間生成物であり、さらにステップ（Ａ）に続く以下の追加のステップ、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成された該中間生成物をマイクロチャネル反応器に流し、反応条件下で燃焼触媒に接触させてＣＯ２とＨ２Ｏからなる最終生成物を形成するステップからなる方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物がさらにＨ２Ｏからなり、前記生成物がＨ２、ＣＯ、ＣＯ２からなる方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物がステップ（Ａ）の前に予備加熱される方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物と酸素または酸素源がステップ（Ａ）の前に混合される方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物と酸素または酸素源がステップ（Ａ）の間に混合される方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記マイクロチャネル反応器が、前記触媒を含む複数のプロセスマイクロチャネルと、流体を該プロセスマイクロチャネルへ流入させる流路を提供するヘッダと、流体を該プロセスマイクロチャネルから離れさせる流路を提供するフッタとからなる方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、各プロセスマイクロチャネルが約１０ｍｍ以下の幅と高さの内部寸法を有する方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルの各々が、入口と、出口と、該入口と該出口の間に展延する伸張部分とからなり、前記プロセスマイクロチャネルがさらに該伸張部分における少なくとも１つの追加の入口からなり、少なくとも１種の反応物が該少なくとも１つの追加の入口を経て前記プロセスマイクロチャネルへ流入する方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルが、鋼、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の方法において、前記マイクロチャネル反応器がさらに前記プロセスマイクロチャネルに熱的に接触している熱交換チャネルからなる方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、前記熱交換チャネルがマイクロチャネルからなる方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、各熱交換チャネルが約１０ｍｍ以下の幅と高さの内部寸法を有する方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法において、前記熱交換マイクロチャネルが、鋼、モネル、インコネル、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法において、少なくとも１つの追加の入口を経て前記プロセスマイクロチャネルへ流入する前記少なくとも１種の反応物が酸素または酸素源からなる方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物が脂肪族化合物、芳香族化合物、またはその混合物をさらに含む方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに分子当たり２〜約２０個の炭素原子を含むアルカンからなる方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにエタン、プロパン、イソプロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物が天然ガスからなる方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに２〜約２０個の炭素原子を含むアルケンからなる方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにエチレン、プロピレン、１−ブテン、２−ブテン、イソブチレン、１−ペンテン、２−ペンテン、３−メチル−１−ブテン、２−メチル−２−ブテン、１−ヘキセン、２，３−ジメチル−２−ブテン、１−へプテン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項２２】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに３〜約２０個の炭素原子からなる方法。
【請求項２３】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに１，２−プロパジエン、１，３−ブタジエン、２−メチル−１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、１，４−ペンタジエン、１，５−ヘキサジエン、２，４−ヘキサジエン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項２４】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにアルキルまたはアルキレン置換芳香族化合物からなる方法。
【請求項２５】
請求項１に記載の方法において、炭化水素反応物がトルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ヘミメリテン、プソイドクメン、メシチレン、プレーニテン、イソジュレン、ジュレン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、エチルベンゼン、ｎ−プロピルベンゼン、クメン、ｎ−ブチルベンゼン、イソブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン、ｐ−シメン、スチレン、またはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項２６】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに天然油、合成油、またはその混合物からなる方法。
【請求項２７】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物が蒸留燃料からなる方法。
【請求項２８】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらにナフサ、ディーゼル燃料、燃料油、ケロセンまたはガソリンからなる方法。
【請求項２９】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに植物原料、鉱物原料、またはその混合物に由来する炭化水素からなる方法。
【請求項３０】
請求項１に記載の方法において、前記炭化水素反応物がさらに大豆、菜種、ヤシ、頁岩、石炭、タール砂、またはその２種以上の混合物に由来する炭化水素からなる方法。
【請求項３１】
請求項１に記載の方法において、前記酸素源が空気からなる方法。
【請求項３２】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物がさらに希釈材料からなる方法。
【請求項３３】
請求項１１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルが前記熱交換チャネルを流れる熱交換流体と熱を交換する方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法において、前記熱交換流体が前記熱交換チャネルを流れる際に相変化を起こす方法。
【請求項３５】
請求項１１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルが前記熱交換チャネル中で行われる吸熱化学反応によって冷却される方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、前記吸熱化学反応が蒸気改質反応または脱水素反応からなる方法。
【請求項３７】
請求項１１に記載の方法において、前記反応組成物が前記プロセスマイクロチャネルを第１方向に流れ、熱交換流体が前記熱交換チャネルを第２方向に流れ、該第２方向が該第１方向に対して向流である方法。
【請求項３８】
請求項１１に記載の方法において、前記反応組成物が前記プロセスマイクロチャネルを第１方向に流れ、熱交換流体が前記熱交換チャネルを第２方向に流れ、該第２方向が該第１方向に対して並流である方法。
【請求項３９】
請求項１１に記載の方法において、前記炭化水素反応組成物が前記プロセスマイクロチャネルを第１方向に流れ、熱交換流体が前記熱交換チャネルを第２方向に流れ、該第２方向が該第１方向に対して向流である方法。
【請求項４０】
請求項１１に記載の方法において、前記熱交換流体が前記方法熱交換チャネルを流れ、該熱交換流体が空気、蒸気、液体、水、二酸化炭素、気体窒素、液体窒素、気体炭化水素または液体炭化水素からなる方法。
【請求項４１】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が粒子状固体の形である方法。
【請求項４２】
請求項１に記載の方法において、前記触媒がＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅからなる合金、またはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる合金からなる材料から作られた担体構造によって担持される方法。
【請求項４３】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が側流構成、貫通流構成、または蛇行構成を有する担体構造によって担持される方法。
【請求項４４】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が発泡体、フェルト、ワッド、フィン、またはその２種以上の組合わせの構成を有する担体構造によって担持される方法。
【請求項４５】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が隣接する間隙を備える側流構成、隣接する間隙を備える発泡体構成、間隙を備えるフィン構造、基材上のウォッシュコート、または流動用の間隙を備える金網構成を有する担体構造によって担持される方法。
【請求項４６】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が少なくとも１個のフィンからなるフィン組立体の形の担体構造に担持される方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、前記フィン組立体が複数の平行な間隔を置くフィンからなる方法。
【請求項４８】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが外部表面を有し、多孔質材料が前記フィンの該外部表面の少なくとも一部を被覆し、前記触媒が該多孔質材料によって担持される方法。
【請求項４９】
請求項４８に記載の方法において、前記多孔質材料がコーティング、繊維、発泡体、またはフェルトからなる方法。
【請求項５０】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが外部表面を有し、複数の繊維または突起が前記フィンの該外部表面の少なくとも一部から展延し、前記触媒が該突起によって担持される方法。
【請求項５１】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが外部表面を有し、前記触媒が、前記フィンの該外部表面の少なくとも一部上にウォッシュコートされるか、前記フィンの該外部表面の少なくとも一部上に溶液から成長するか、あるいは前記フィンの該外部表面の少なくとも一部上に蒸着を用いて堆積される方法。
【請求項５２】
請求項４６に記載の方法において、前記フィン組立体が複数の平行な間隔を置くフィンからなり、該フィンの少なくとも１個が他の該フィンの長さとは異なる長さを有する方法。
【請求項５３】
請求項４６に記載の方法において、前記フィン組立体が複数の平行な間隔を置くフィンからなり、該フィンの少なくとも１個が他の該フィンの高さとは異なる高さを有する方法。
【請求項５４】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが正方形または矩形の形状の断面を有する方法。
【請求項５５】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが台形の形状の断面を有する方法。
【請求項５６】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが鋼、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項５７】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンが、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅからなる合金、またはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる合金から作製される方法。
【請求項５８】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンがＡｌ２Ｏ３形成材料から作製される方法。
【請求項５９】
請求項４６に記載の方法において、前記フィンがＣｒ２Ｏ３形成材料から作製される方法。
【請求項６０】
請求項１に記載の方法において、前記触媒がＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、またはその酸化物、あるいはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項６１】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が下記式で表される組成物からなり、前記触媒は前記プロセスマイクロチャネルの内部壁上にコーティングされるか、あるいは前記プロセスマイクロチャネル内に配置された発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される方法。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは約０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項６２】
請求項２に記載の方法において、前記燃焼触媒が貴金属またはその酸化物、ペロブスカイトあるいはアルミン酸塩からなる方法。
【請求項６３】
請求項６２に記載の方法において、前記燃焼触媒がさらにＣｅ、Ｔｂ、もしくはＰｒ、またはその酸化物、あるいはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項６４】
請求項２に記載の方法において、前記燃焼触媒が、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはその酸化物、あるいはその２種以上の混合物からなる方法。
【請求項６５】
請求項１に記載の方法において、前記反応組成物および／または生成物と前記触媒との接触時間が約０．１ミリ秒〜約１００秒である方法。
【請求項６６】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルに流入する前記反応組成物の温度が約２００℃〜約１０００℃の範囲である方法。
【請求項６７】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルに流入する前記反応組成物の圧力が約０．１〜約１００気圧の範囲である方法。
【請求項６８】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルを流れる前記反応組成物および生成物の空間速度が少なくとも約１００ｈｒ−１である方法。
【請求項６９】
請求項１に記載の方法において、前記プロセスマイクロチャネルを流れる前記反応組成物および生成物の圧力降下が、前記プロセスマイクロチャネルの長さ１メートル当たり約２気圧以下である方法。
【請求項７０】
請求項１１に記載の方法において、熱交換流体が前記熱交換チャネルを流れ、前記熱交換チャネルを流れる該熱交換流体の全圧力降下が約１０気圧以下である方法。
【請求項７１】
炭化水素反応物をＨ２とＣＯからなる生成物に変換する方法であって、
（Ａ）該炭化水素反応物および酸素または酸素源からなる反応組成物をマイクロチャネル反応器に流して、反応条件下で触媒に接触させて該反応組成物を該生成物に変換するステップからなり、該炭化水素反応物はメタンからなり、該触媒は下記式で表される組成物からなり、該触媒は該プロセスマイクロチャネルの内部壁上にコーティングされるか、あるいは該プロセスマイクロチャネル内に配置された発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される方法。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは約０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項７２】
下記式で表される組成物からなる触媒であって、基材上にコーティングされるか、あるいは発泡体、フェルト、ワッドまたはフィン上に担持される触媒。
Ｍ１ａＭ２ｂＭ３ｃＡｌｄＯｘ
式中、Ｍ１はＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ２はＣｅ、Ｐｒ、Ｔｂ、またはその２種以上の混合物であり、
Ｍ３はＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその２種以上の混合物であり、
ａは約０．０００１〜約１の範囲の数字であり、
ｂは約０〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項７３】
請求項６７に記載の触媒において、Ｍ１がＲｈまたはＮｉである触媒。
【請求項７４】
請求項７２に記載の触媒において、Ｍ１がＲｈである触媒。
【請求項７５】
請求項７２に記載の触媒において、Ｍ３がＬａまたはＭｇである触媒。
【請求項７６】
下記式で表される組成物からなる触媒。
ＲｈａＬａｃＡｌｄＯｘ
式中、ａは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｃは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｄは約０．０００１〜約０．９９９９の範囲の数字であり、
ｘは該存在する元素の要求する原子価を満足するのに必要な酸素の数である。
【請求項７７】
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３の層を担体構造の少なくとも一部に塗工するステップと、
（Ｂ）ステップ（Ａ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）で形成した焼成担体構造の表面に助触媒または安定剤を塗工して被処理担体構造を形成するステップであって、該助触媒または安定剤がＬａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、またはその酸化物もしくは硝酸塩、あるいはその２種以上の混合物からなるステップと、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で形成した被処理担体構造を焼成するステップと、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で形成した焼成担体構造の表面に触媒金属またはその酸化物もしくは硝酸塩を塗工して、被処理担体構造を形成するステップであって、該触媒金属がＲｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、またはその２種以上の混合物からなるステップと、
（Ｆ）ステップ（Ｅ）で形成した被処理担体構造を焼成して担持触媒を形成するステップからなる、担持触媒の作製方法。
【請求項７８】
請求項７７に記載の方法において、前記ステップ（Ｆ）で形成された担持触媒が水素中で還元される方法。
【請求項７９】
請求項７７に記載の方法において、前記担体構造が鋼、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、真鍮、任意の該金属の合金、ポリマー、セラミック、ガラス、ポリマーとファイバーグラスからなる複合材、石英、シリコン、またはその２種以上の組合せからなる材料から作製される方法。
【請求項８０】
請求項７７に記載の方法において、前記担体構造がＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる合金から作製され、前記天然酸化物層がＡｌ２Ｏ３からなる方法。
【請求項８１】
請求項７７に記載の方法において、前記担体構造がＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅからなる合金から作製され、前記天然酸化物層がＣｒ２Ｏ３からなる方法。
【請求項８２】
請求項７７に記載の方法において、前記助触媒または安定剤がＬａまたはＭｇからなる方法。
【請求項８３】
請求項７７に記載の方法において、前記助触媒または安定剤がＬａからなる方法。
【請求項８４】
請求項７７に記載の方法において、前記触媒金属がＲｈからなる方法。
【請求項８５】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ａ）の前に、前記担体構造が約３００℃〜約１４００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間加熱される方法。
【請求項８６】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ａ）の間に、Ａｌ２Ｏ３からなるスラリーが前記天然酸化物層の上に塗工される方法。
【請求項８７】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ａ）の間に、Ａｌ２Ｏ３からなるコロイド分散液が前記天然酸化物層の上に塗工される方法。
【請求項８８】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｂ）の間に、前記被処理担体構造が約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間焼成される方法。
【請求項８９】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｃ）の間に、Ｌａ（ＮＯ３）３からなる溶液が前記焼成担体構造の前記表面に塗工される方法。
【請求項９０】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｄ）の間に、前記被処理担体構造が約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間焼成される方法。
【請求項９１】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｅ）の間に、Ｒｈ（ＮＯ３）３からなる組成物が前記焼成担体構造の前記表面に塗工される方法。
【請求項９２】
請求項７７に記載の方法において、ステップ（Ｆ）の間に、前記被処理担体構造が約１５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で約０．１〜約１０００時間焼成される方法。
【請求項９３】
請求項１に記載の方法において、前記触媒が式Ｒｈ／ＬａＡｌ１１Ｏ１８またはＲｈ／ＬａＡｌＯ３で表される方法。
【請求項９４】
請求項７６に記載の触媒において、前記触媒が式Ｒｈ／ＬａＡｌ１１Ｏ１８またはＲｈ／ＬａＡｌＯ３で表される触媒。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２００７−５１５３６２（Ｐ２００７−５１５３６２Ａ）
【公表日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３２３８２（Ｐ２００６−５３２３８２）
【出願日】平成１６年４月８日（２００４．４．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１０６１１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０３５４９
【国際公開日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（５０５０５６６９４）ヴェロシス，インク． (20)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年４月８日（２００４．４．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１０６１１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０３５４９
【国際公開日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（５０５０５６６９４）ヴェロシス，インク． (20)
【Ｆターム（参考）】
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