具有用于负载催化剂或吸附介质的内翅片的微通道
阅读：505发布：2020-06-27
专利汇可以提供具有用于负载催化剂或吸附介质的内翅片的微通道专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种装置，包括：至少一具有一定高度、宽度以及长度的工艺微通道，其高度达大约10mm，该工艺微通道具有一基部壁，该基部壁在一个方向沿工艺微通道的宽度延伸而在另一方向沿工艺微通道的长度延伸；至少一从基部壁向工艺微通道内突出并沿至少部分工艺微通道长度延伸的翅片；以及该翅片负载的催化剂或 吸附 介质。，下面是具有用于负载催化剂或吸附介质的内翅片的微通道专利的具体信息内容。
1. 一种装置，包括：
至少一具有一定高度、宽度以及长度的工艺微通道，其高度达 10mm，该工艺微通道具有一基部壁，该基部壁在一个方向沿工艺微通道 的宽度延伸而在另一方向沿工艺微通道的长度延伸；
一翅片组件，包括多个平行间隔的翅片以及一翅片支撑物，翅 片从翅片支撑物向工艺微通道内突出且沿至少部分工艺微通道长度延 伸，翅片支撑物在基部壁上覆盖，该翅片组件与微通道分别制造，且被 插入该微通道中；以及
该翅片负载的催化剂或吸附介质。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置包括多个相互平 行延伸的所述工艺微通道。
3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该工艺微通道具有一面 向基部壁并与其隔开的上壁，该翅片从翅片支撑物延伸至上壁。
4. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该工艺微通道具有一面 向基部壁并与其隔开的上壁，该翅片从翅片支撑物向上壁延伸部分路径。
5. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片具有外表面且有 多孔材料覆盖在翅片的至少一部分外表面上，催化剂或吸附介质由该多 孔材料负载。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于该多孔材料包括涂层、 纤维、泡沫或毛毡。
7. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片具有外表面且有 无序纤维或突出形式的表面增强物，它们从翅片的至少一部分外表面伸 出，催化剂或吸附介质由该纤维或突出负载。
8. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片具有外表面且该 催化剂或吸附介质：被涂覆在翅片的至少部分外表面上；在翅片的至少 部分外表面上从溶液中生长；或用气相沉积在翅片的至少部分外表面上 沉积。
9. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片沿微通道的至少 部分长度连续延伸。
10. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片沿微通道的至少 部分长度非连续延伸。
11. 如权利要求1所述的装置，其特征在于翅片中的一些沿微通道 的部分长度延伸，而翅片中的一些沿微通道的完整长度延伸。
12. 如权利要求1所述的装置，其特征在于翅片中的至少一个的长 度不同于其它翅片的长度。
13. 如权利要求1所述的装置，其特征在于翅片中的至少一个的高 度不同于其它翅片的高度。
14. 如权利要求1所述的装置，其特征在于各翅片的横截面的形状 是正方形或矩形。
15. 如权利要求1所述的装置，其特征在于各翅片的横截面的形状 是梯形。
16. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该工艺微通道由包括以 下材料的一种材料制成：钢；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；任何前述 金属的合金；聚合物；陶瓷；玻璃；包含聚合物和玻璃纤维的复合物； 石英；硅；或其两种或更多种物质的组合物。
17. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该工艺微通道由黄铜制 成。
18. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片组件由包括以下 材料的一种材料制成：钢；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；任何前述金 属的合金；聚合物；陶瓷；玻璃；包含聚合物和玻璃纤维的复合物；石 英；硅；或其两种或更多种物质的组合物。
19. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片组件由黄铜制成。
20. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片组件由氧化铝形 成的材料制造。
21. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片组件由FeCrAlY 制造。
22. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置还包括和微通道 相邻的至少一个热交换通道。
23. 如权利要求22所述的装置，其特征在于该热交换通道是微通 道。
24. 如权利要求22所述的装置，其特征在于该热交换通道由包括 以下材料的一种材料制成：钢；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；任何前 述金属的合金；聚合物；陶瓷；玻璃；包含聚合物和玻璃纤维的复合物； 石英；硅；或其两种或更多种物质的组合物。
25. 如权利要求22所述的装置，其特征在于该热交换通道由黄铜 制成。
26. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括在进行一 种或多种下述化学反应中有用的一种催化剂：乙酰化加成、烷基化、脱 烷基化、胺化、氨合成、芳构化、芳基化、羰基化、脱羰基化、羧基化、 缩合、裂化、环化、氨氧化、水-汽转换、脱卤化、环氧化、酯化、费- 托反应、卤化、同系化、水合、脱水、氢解、硅氢加成、水解、异构化、 易位、甲醇合成、硝基化、氧化、聚合、还原、重整、逆水汽变换、磺 化或酯交换反应。
27. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括在进行一 种或多种下述化学反应中有用的一种催化剂：自热重整、甲基化、加氢、 脱氢、脱甲基化、二聚或三聚反应。
28. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括在进行一 种或多种下述化学反应中有用的一种催化剂：加氢脱烷基化、加氢裂化、 加氢卤化、加氢羧基化、加氢甲酰化或加氢金属化反应。
29. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括在进行一 种或多种下述化学反应中有用的一种催化剂：选择性氧化、环齐聚、二 氧化碳重整、还原性偶合、选择性甲烷化或萨巴蒂埃反应。
30. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括在进行一 种或多种下述化学反应中有用的一种催化剂：部分氧化、调聚、还原性 羰基化、还原性羧基化或还原性烷基化反应。
31. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括选自Mo、 W、V、Nb、Sb、Sn、Pt、Pd、Cs、Zr、Cr、Mg、Mn、Ni、Co、Ce，或其 中的两种或更多种的混合物的一种金属、金属氧化物或金属的混合金属 氧化物。
32. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括：过渡金 属或其组合物；下列物质的氧化物：碱金属、碱土金属、硼、镓、锗、 砷、硒，碲、铊、铅、铋、钋、钛、钒、铬、锰、铁、镍、钴、铜、锌、 锆、钼、锡、铝、硅、镧系元素；或上述任何两种或更多种物质的组合 物。
33. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该催化剂包括贵金属。
34. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质包括银、金、 铂、钯、镍、沸石、硅胶，或其两种或更多种物质的组合物。
35. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质得自Fe(II)、 Co(II)、Cu(I)、V(II)、Mn(II)、Mn(III)、Cr(II)、Ag(I)、Rh(I)、Rh(II)、 Rh(III)、U(IV)、V(IV)、Ru(II)、Ru(IV)、Ti(III)、Cr(IV)、Bi(III)、Ni(II)、 W(V)、W(IV)、Mo(II)、Mo(III)、Mo(IV)、Mo(V)、Mo(VI)，或其两种或 更多种物质的组合物。
36. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质得自：联吡 啶、2，6-[1-(2-咪唑-4-基乙基亚氨基)乙基吡啶]、轮环藤宁、仙客木、 席夫碱配体、乙酰基丙酮酸酯或其低聚物或聚合物、羧酸酯、联吡啶或 其低聚物或聚合物、卟啉或其低聚物或聚合物、呵啉或其低聚物或聚合 物、聚酰胺、蛋白质、8-羟基喹啉或其低聚物或聚合物、半胱乙酯或其 低聚物或聚合物、N-烷基烷链异羟肟酸、二甲基乙二肟、均二乙基乙烯 二氨、或其中两种或更多种物质的组合物。
37. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质包括Sb2O5、 AgO、PtO、CrO2、PbO、HgO、Cu2O、MnO、Mn2O3、Bi2O4、NiO、NiO2、 Cu2O3、SnO、SnO2、WO2、WO3、W2O5、全氟化的薄膜、Pt/g-氧化铝、 Fe/g-氧化铝、Cu/g-氧化铝、Zn/g-氧化铝、Co/g-氧化铝、沸石，或其中 两种或更多种物质的组合物。
38. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质包括金属氰 化物的低聚物或聚合物，该金属氰化物的低聚物或聚合物由化学式 [Cu(I)(CN)x]n、[Fe(ii)(CN)y]n或[Co(II)(CN)y]n表示，其中x为3，y为5 而n是至少2的一个数。
39. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质包括硅胶、 泡沫状铜、烧结的不锈钢纤维、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲基酯、聚磺酸 酯、聚四氟乙烯、铁、镍海绵体、尼龙、聚乙二烯二氟化物、聚丙烯、 聚乙烯、聚乙烯乙基酮、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚甲 基丙烯酸甲基酯、聚苯乙烯、聚苯烯硫化物、聚砜、聚丁烯，或其中的 两种或更多种物质的组合物。
40. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该吸附介质包括仲胺、 苯酚磷酸盐、亚磷酸盐、酚醛树脂、双酚醛树脂、羟胺、烯烃羧酸酯、 氨基羧酸酯、维生素E、二-叔丁基-对-甲酚、锡盐、锡的氧化物、山梨酸 酯、聚山梨醇酯，或其中两种或更多种物质的组合物。
41. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片组件的导热系数 为10W/m/K或更高。
42. 如权利要求41所述的装置，其特征在于该翅片组件包括一种 由翅片负载的催化剂。
43. 如权利要求41所述的装置，其特征在于该翅片组件包括一种 由翅片负载的吸附介质。
44. 如权利要求1所述的装置，其特征在于该翅片组件包括从1 至50翅片每厘米工艺微通道宽度。
45. 如权利要求1所述的装置，其特征在于蒸汽/甲烷重整过程在 工艺微通道中进行。
46. 如权利要求1所述的装置，其特征在于一热交换通道与该工 艺微通道相邻且一燃烧反应在该热交换通道中进行。
47. 如权利要求1所述的装置，其特征在于一部分氧化过程在该 工艺微通道中进行。
48. 如权利要求1所述的装置，其特征在于一分离过程在该工艺 微通道中进行，该分离过程包括氮气从一种含有氮气和甲烷的混合物中 被分离。
技术领域
本发明涉及包含用于负载催化剂或吸附介质(sorption medium)的 内部翅片的微通道。这些微通道适用于进行催化激活的化学反应以及采 用吸附介质分离流体。
背景技术
微通道反应器可用于各种催化反应过程，其中，反应物在微通道反 应器内与催化剂相接触并进行反应。术语“微通道”在此被用来指内部 宽度或高度约达10mm的通道，这些微通道反应器所存在的问题与这样的 事实有关：即对于许多工艺过程而言，很难提供足够的催化表面积以使 工艺过程有效地进行。此外，对于许多工艺过程而言，也很难为其反应 物提供充分短的到达催化表面区域的质量输送距离，以使工艺过程有效 地进行。
这些问题的一个解决方案是在微通道的内壁上涂覆被称为载体涂料 (washcoat)的无机氧化物中间层，以提供高的表面积。催化剂就沉积 在载体涂料的表面上，使用这些载体涂料的问题是所提供的额外的表面 积对于许多工艺过程都是不够的。
该问题的另一解决方案是是将催化剂沉积在多孔结构的物质上，例 如沉积在泡沫、毛毡或填充物上，然后将该多孔结构的物质置于微通道 中。术语“泡沫”在此用来指具有限定了贯穿整个结构的小孔的连续壁 的结构，“毛毡”一词在此被用来指其间具有缝隙的纤维结构，术语“填 充物”在此被用来指缠结的丝线结构，如钢丝绒。每一个这样的载体结 构所存在的问题是这些载体结构所提供的导热系数对于许多工艺过程是 不充分的。
本发明提供了针对这些问题的解决方案，本发明提供了一个或一个 以上用于负载催化剂的内翅片，其中，所述的翅片提供了增加的催化剂 表面积以及增加的导热系数，这些翅片还提供了反应物到发生反应的催 化剂表面的短的质量输送距离。在本发明的一个实施方案中，所述的内 翅片为微通道提供了加强的结构稳定性。
与邻近的热交换器耦合的微通道反应器所存在的问题与相对高的压 降有关，该相对高的压降通常在要求高热流或者高通过量时，由于微通 道的内部尺寸小而出现。如果为了克服质量运输的限制使微通道的高度 或宽度保持较小，所述的压降与通道的高度或宽度成反比地趋于增加， 潜在地限制最大通过量。
本发明提供了一种针对该问题的解决方案，即从所需的最小尺寸增 加可供流体流过微通道的总横截面积，以最小化或降低质量输送限制的 影响。如果翅片自邻近的热交换器的热交换表面以直角向上伸出，只要 相邻翅片之间的间隔保持足够小以使质量输送的限制最小化，翅片的高 度可明显大于使质量输送的限制最小化所需的间隔尺寸。更高的翅片能 够使经过微通道反应器的每单位长度的压降更低。也可使翅片材料的导 热系数和翅片高度适合于防止对于所关心的反应的传热限制。由于热传 导速率受限制的距离通常比质量传输速率受限制的距离大得多，翅片高 度经常可延伸至远远超过所要求的质量传输特性允许的最大间隙，因此， 通过本发明的应用，可实现每个通道具有更低的压降和/或更高的生产能 力(capability)，而不会降低反应特性。
在此提供的翅片不仅可用于提供在微通道反应器内使用的催化剂载 体，还可用于提供微通道中所进行的分离过程使用的吸附介质的载体。
这些问题的一个解决方案是在微通道的内壁上涂覆被称为载体涂料 (washcoat)的无机氧化物中间层，以提供高的表面积。催化剂就沉积 在载体涂料的表面上，使用这些载体涂料的问题是所提供的额外的表面 积对于许多工艺过程都是不够的。
该问题的另一解决方案是是将催化剂沉积在多孔结构的物质上，例 如沉积在泡沫、毛毡或填充物上，然后将该多孔结构的物质置于微通道 中。术语“泡沫”在此用来指具有限定了贯穿整个结构的小孔的连续壁 的结构，“毛毡”一词在此被用来指其间具有缝隙的纤维结构，术语“填 充物”在此被用来指缠结的丝线结构，如钢丝绒。每一个这样的载体结 构所存在的问题是这些载体结构所提供的导热系数对于许多工艺过程是 不充分的。
本发明提供了针对这些问题的解决方案，本发明提供了一个或一个 以上用于负载催化剂的内翅片，其中，所述的翅片提供了增加的催化剂 表面积以及增加的导热系数，这些翅片还提供了反应物到发生反应的催 化剂表面的短的质量输送距离。在本发明的一个实施方案中，所述的内 翅片为微通道提供了加强的结构稳定性。
与邻近的热交换器耦合的微通道反应器所存在的问题与相对高的压 降有关，该相对高的压降通常在要求高热流或者高通过量时，由于微通 道的内部尺寸小而出现。如果为了克服质量运输的限制使微通道的高度 或宽度保持较小，所述的压降与通道的高度或宽度成反比地趋于增加， 潜在地限制最大通过量。
本发明提供了一种针对该问题的解决方案，即从所需的最小尺寸增 加可供流体流过微通道的总横截面积，以最小化或降低质量输送限制的 影响。如果翅片自邻近的热交换器的热交换表面以直角向上伸出，只要 相邻翅片之间的间隔保持足够小以使质量输送的限制最小化，翅片的高 度可明显大于使质量输送的限制最小化所需的间隔尺寸。更高的翅片能 够使经过微通道反应器的每单位长度的压降更低。也可使翅片材料的导 热系数和翅片高度适合于防止对于所关心的反应的传热限制。由于热传 导速率受限制的距离通常比质量传输速率受限制的距离大得多，翅片高 度经常可延伸至远远超过所要求的质量传输特性允许的最大间隙，因此， 通过本发明的应用，可实现每个通道具有更低的压降和/或更高的生产能 力(capability)，而不会降低反应特性。
在此提供的翅片不仅可用于提供在微通道反应器内使用的催化剂载 体，还可用于提供微通道中所进行的分离过程使用的吸附介质的载体。
发明内容
本发明涉及一种装置，该装置包括：至少一个具有一高度、宽度和 长度的工艺微通道，其高度达到约10mm，所述的工艺微通道具有一基部 壁(base wall)，该基部壁沿工艺微通道的宽度向一个方向延伸，并且 沿工艺微通道的长度向另一个方向延伸；至少有一翅片，其自所述的基 部壁向工艺微通道突出，并且沿着工艺微通道的至少部分长度延伸；所 述的翅片负载的催化剂或吸附介质。
附图说明
在附图中，相同的部件和相同的特征具有相同的标记。
图1是本发明的装置的示意图，该装置包括一个工艺微通道、一个 由许多设置在所述微通道内的翅片组成的翅片组以及与工艺微通道相 邻的热交换器；
图2示出了图1所示装置的一个替代实施方案；
图3示出了图1所示的翅片组的一个替代实施方案；
图4示出了图1所示的翅片之一的一个替代实施方案；
图5示出了图1所示的翅片之一的另一个替代实施方案；
图6至10出了图1所示的翅片组的替代实施方案；
图11示出了图1所示的工艺微通道的基部壁上所形成的许多翅片。
图12示出了一个可插式翅片组，该翅片组可用于制成许多相邻的 如图1所示那类的工艺微通道。
图13和14是公开实施例1中所得的结果的图示。
附图说明
在附图中，相同的部件和相同的特征具有相同的标记。
图1是本发明的装置的示意图，该装置包括一个工艺微通道、一个 由许多设置在所述微通道内的翅片组成的翅片组以及与工艺微通道相 邻的热交换器；
图2示出了图1所示装置的一个替代实施方案；
图3示出了图1所示的翅片组的一个替代实施方案；
图4示出了图1所示的翅片之一的一个替代实施方案；
图5示出了图1所示的翅片之一的另一个替代实施方案；
图6至10出了图1所示的翅片组的替代实施方案；
图11示出了图1所示的工艺微通道的基部壁上所形成的许多翅片。
图12示出了一个可插式翅片组，该翅片组可用于制成许多相邻的 如图1所示那类的工艺微通道。
图13和14是公开实施例1中所得的结果的图示。
具体实施方式
术语“微通道”是指具有至少一个高度或宽度到达到约10毫米(mm) 的内部尺寸的通道，在一个实施方案中达到约5mm，在另一个实施方案 中达到约2mm，在又一个实施方案中达到约1mm。在一个实施方案中， 其高度或宽度在约0.05mm至约10mm的范围内，在另一个实施方案中， 其高度或宽度在约0.05mm至约5mm的范围内，在又一个实施方案中， 其高度或宽度在约0.05mm至约2mm的范围内，在又一个实施方案中， 其高度或宽度在约0.05mm至约1.5mm的范围内，在又一个实施方案中， 其高度或宽度在约0.05mm至约1mm的范围内，在又一个实施方案中， 其高度或宽度在0.05mm至约0.75mm的范围内，在又一个实施方案中， 其高度或宽度在约0.05mm至约0.5mm的范围内。高度和宽度均与经过 微通道的流动方向垂直。
在提到一个通道的位置相对于另一个通道的位置时，术语“相邻” 是指直接相邻，这样，一个壁将两个通道分开。该壁的厚度可变化。但 是，“相邻”的通道不被会干扰所述通道之间的热传递的居间的含流体 的通道所分开。
术语“流体”是指气体、液体或者是含有分散固体的气体或液体， 或者是它们的混合物。该流体可以是含有分散液滴的气体形态。
术语“接触时间”是指微通道反应器内反应区的体积除以反应物组 合物在温度为0℃和压力为一个大气压时的体积供给流量。
术语“驻留时间”是指被流过一个空间的流体所占的空间(例如， 微通道反应器内的反应区)的内部体积除以在所使用的温度和压力下流 过该空间的流体的平均体积流量。
术语“反应区”是指微通道反应器内的空间，在其中，反应物与催 化剂相接触。
术语“烃反应物的转化”是指在反应物组合物和产物之间的烃反应 物摩尔数变化除以反应物组合物中的烃摩尔数。
术语“对于想得到的产物的选择性”是指产生的所需的氧化物或腈 的摩尔数除以加上产生的其它产物(即CO、CO2)的摩尔数的、产生的 所需的氧化物或腈的摩尔数，其中各摩尔数乘以其各自的化学计量系 数。例如，对于乙烯氧化成环氧乙烷，二氧化碳是不想要的副产物，产 生一摩尔的环氧乙烷和一摩尔的二氧化碳对应的选择性为100×(1/(1 +1/2))＝67％。
本发明将首先针对图1进行描述，参见图1，本发明的装置100包 括工艺微通道110、由位于工艺微通道110内的许多相间隔的平行翅片 140组成的翅片组141以及与工艺微通道相邻的热交换器170。
工艺微通道110的高度如图1中由点112延伸至点114的垂直线所 示，其宽度如由点114延伸至点116的水平线所示，其长度由点114延 伸至点118的线段表示。工艺微通道110具有基部壁120和上壁122， 该上壁平行于相对的基部壁120。工艺微通道还具有连接壁120和122 的垂直壁124和126。
翅片140设置在翅片支撑物142之上，该载体覆盖在基部壁120之 上，翅片140自翅片支撑物142伸入到工艺微通道110的内部，翅片140 延伸至上壁122的内表面并与其相接触。翅片140之间的翅片通道144 为流体提供了通道，以使流体平行于长度方向流过工艺微通道110，如 方向箭头146所示。每个翅片140在其每个侧面上具有外表面148，该 外表面为催化剂或吸附介质提供了负载基板(support base)。对于催化 反应，一种或一种以上的流体反应物沿着方向箭头146所示的方向流过 通道144，与负载在翅片140的外表面148上的催化剂相接触，并且进 行反应生成产物。对于流体分离过程，流体沿着方向箭头146所示的方 向流经翅片通道144，与负载在翅片140的外表面148上的催化剂相接 触，流体中的一种或一种以上的成分被吸附介质所吸附。
每个翅片140的高度可在约0.02mm至工艺微通道110的高度之间。 在一个实施方案中，其高度在约0.02mm至约10mm之间；在一个实施方 案中，其高度在约0.02mm至约5mm之间；在又一个实施方案中，其高 度在约0.02mm至约2mm之间。每个翅片的宽度可在约0.02mm至约5mm 之间。在一个实施方案中，其宽度在约0.02mm至约2mm之间；在另一 个实施方案中，其宽度在约0.02mm至约1mm之间。每个翅片的长度可 以是达到工艺微通道110长度的任何长度，在一个实施方案中，其长度 在约5mm至约500cm之间；在又一个实施方案中，其长度在约1cm至约 250cm之间；在又一个实施方案中，其长度在约1cm至约100cm之间； 在又一个实施方案中，其长度在约2cm至约25cm之间。各个翅片140 之间的间隙可以是任何值，并可以在约0.02mm至约5mm之间。在一个 实施方案中，其间隙在约0.02mm至约2mm之间；在又一个实施方案中， 其间隙在约0.02mm至约1mm之间。工艺微通道110的翅片140的数量 可在每厘米工艺微通道110的宽度约1至约50个翅片，在一个实施方 案中，其数量在每厘米约1至约30个翅片；在另一个实施方案中，其 数量在每厘米约1至约10个翅片；在又一个实施方案中，其数量在每 厘米约1至约5个翅片；在又一个实施方案中，其数量在每厘米约1至 约3个翅片。每个翅片的横截面可以如图1至5中所示呈长方形或正方 形，或者如图6和12所示呈梯形。当沿每个翅片140的长度方向观察 时，它可以呈笔直的、锥形的或者蛇形的构型。翅片140可以由提供足 够强度、尺寸稳定性和热传导特性以允许工艺微通道110所期望的操作 的任何材料制成。这些材料包括钢(即不锈钢、碳钢及其类似物)、蒙 乃尔合金(monel)、英科乃尔合金(inconel)、铝、钛、镍、铂、铑、 铜、铬、黄铜、任何前述金属的合金、聚合物(即热固性树脂)、陶瓷、 玻璃、包含一种或一种以上的聚合物(即热固性树脂)和玻璃纤维的复 合材料、石英、硅或者其中的两种或更多种的组合。翅片140可以由形 成氧化铝的材料，例如FeCrAlY制成，这样，使得当氧化时表面形成氧 化铝。该氧化铝表皮尤其适合接受催化剂或吸附剂材料的负载层。
热交换器170与工艺微通道110相邻，并且，该热交换器包括热交 换通道172和174，该热交换通道172和174适合于热交换流体沿长度 方向流过所述通道，该方向平行于流过工艺微通道110的流体的流向， 如方向箭头176所示。当热交换流体以图1所示的方向流动时，该流体 流动的方向与流过工艺微通道110的流体同向。或者，所述的热交换流 体可以与图1所示的方向相反的方向流过热交换通道172和174，因而 与流过工艺微通道110的流体方向相反的方向流动。或者，热交换通道 172和174可被定位成与工艺微通道110成90°角，以使热交换流体的 流动方向相对于流过工艺微通道110的流体流动方向成十字交叉。
尽管只有单个工艺微通道110和两个热交换通道172和174在图1 中被举例说明用于装置100，实际上，可用于装置100的工艺微通道110、 热交换通道172和174的数目没有上限，例如，装置100可包含2个、 4个、6个、8个、10个、20个、50个、一百个、数百个、一千个、数 千个、一万个、数万个、十万个、数十万个、数百万个等工艺微通道和 热交换通道。
工艺微通道110可平行布置，例如，以平面型微通道列的形式排列。 所述的微通道可以是如美国专利6,200,536B1中公开的微组成片状状结 构变型(microcomponent sheet architecture variety)，该专利通过 引用并入本申请。每个工艺微通道110可具有高达约10mm的高度，在 一个实施方案中，其高度为约0.05mm至约10mm；在另一个实施方案中， 其高度为约0.05mm至约5mm；在又一个实施方案中，其高度为约0.05 mm至约2mm；在又一个实施方案中，其高度为约0.05mm至约1.5mm； 在又一个实施方案中，其高度为约0.05mm至约1mm；在又一个实施方 案中，其高度为约0.05mm至约0.5mm。工艺微通道的宽度可以是任何 值，例如，其宽度可以在约0.1cm至约100cm的范围内。在一个实施方 案中，其宽度在约0.1cm至约75cm的范围内；在另一个实施方案中， 其宽度在约0.1cm至约50cm的范围内；在又一个实施方案中，其宽度 在约0.2cm至约25cm的范围内。每个工艺微通道110的长度可以是任 何值，例如，其长度可以在约1cm至约500cm的范围内。在一个实施方 案中，其长度在约1cm至约250cm的范围内；在另一个实施方案中，其 长度在约1cm至约100cm的范围内；在又一个实施方案中，其长度在约 1cm至约50cm的范围内；在又一个实施方案中，其长度在约2cm至约 25cm的范围内。
工艺微通道110可以由提供足够强度、尺寸稳定性和热传递特性以 允许进行所期望的工艺操作的任何材料制成，这些材料包括钢(即不锈 钢、碳钢以及类似物)、蒙乃尔合金、英科乃尔合金、铝、钛、镍、铂、 铑、铜、铬、黄铜、任何前述金属的合金、聚合物(例如，热固性树脂)、 陶瓷、玻璃、包含一种或一种以上的聚合物(例如，热固性树脂)和玻 璃纤维的复合材料、石英、硅或者其中的两种或更多种的组合。
每个热交换通道172和174可至少具有一个高度或宽度达到约10mm 的内部尺寸。在一个实施方案中，所述的内部尺寸的高度或宽度为约 0.05mm至约10mm；在另一个实施方案中，所述的内部尺寸的高度或宽 度为约0.05mm至5mm；在又一个实施方案中，所述的内部尺寸的高度 或宽度约为0.05mm至2mm；在又一个实施方案中，所述的内部尺寸的 高度或宽度在约0.5mm至约1mm。其它内部尺寸可在约1mm至约1m的 范围内，在一个实施方案中，所述的其它内部尺寸在约1mm至约0.5m 的范围内；在另一个实施方案中，所述的其它内部尺寸在约2mm至约 10cm的范围内。热交换通道的长度可在约1mm至约1m的范围内，在一 个实施方案中，该长度在约1cm至约0.5m的范围内.每个工艺微通道110 与其紧邻的热交换通道172或174之间的间隔可在约0.05mm至约5mm 的范围内，在一个实施方案中，该间隔在约0.02mm至约2mm的范围。
热交换器170可以由提供足够强度、尺寸稳定性和热传导特性的任 何材料制成，以便能进行所期望的操作。这些材料包括钢(例如，不锈 钢、碳钢以及类似物)、蒙乃尔合金、英科乃尔合金、铝、钛、镍、铂、 铑、铜、铬、黄铜、任何前述金属的合金、聚合物(例如，热固性树脂)、 陶瓷、玻璃、包含一种或一种以上的聚合物(例如，热固性树脂)和玻 璃纤维的复合材料、石英、硅或者其中的两种或更多种的组合。
装置100具有合适的总管(header)、尾管(footer)、阀、管道线和 控制装置等，以控制工艺流体和热交换流体的输入和输出，这些装置没 有在图1中示出，但是本领域技术人员能够提供这些装置。
除了翅片140被部分翅片(partial fin)140a替换以外，图2所 示的装置110A与图1所示的装置100相同，图2中的部分翅片140a从 翅片支撑物142向上壁122只延伸了部分路径，部分翅片140a的高度 可约为翅片支撑物142与上壁122之间的间距的1％至99％，在一个实施 方案中，约为10％至90％；在另一个实施方案中，约为20％至80％。采用 部分翅片140a的优点是在工艺微通道110内提供的额外空间145有利 于采用氧或者空气的分段添加，该添加对某些反应如燃烧或选择性氧化 反应是有用的。部分翅片140a允许氧气或空气进入翅片通道144。部分 翅片140a的另一个优点是降低流过工艺微通道110的流体的压降，该 压降是由为流体流动提供额外的空间145所导致。
翅片140可具有多孔材料覆盖在部分或所有外表面148上，如图3 所示，其中，多孔材料147覆盖在翅片140的外表面148上。该多孔材 料可以是以涂层、纤维、毛毡、泡沫或其它非致密基质的形式。孔尺寸 可在约3埃至约100微米的范围内，催化剂或者吸附介质可沉积在多孔 材料之上。
翅片140的外表面148可包括表面增强物，例如图4中所示的自外 表面148伸出的无序纤维147a，或者如图5中所示的自外表面148伸出 的突起物147b。纤维147a和突起物147b的长度可在约0.001至约0.3mm 的范围内，在一个实施方案中，其长度在约0.01至约0.1mm的范围内。 催化剂或者吸附介质可沉积在纤维147a或突起物147b之上。
如图7-10所示，翅片140可以沿流动方向连续或不连续。不连续 翅片的优点包括能够提供热阻以降低轴向传导的作用，其另一个优点是 能够将一个翅片结构并入工艺微通道，该微通道沿着通道的长度采用分 段氧化剂添加。没有翅片的区段151(如图7和8)可设置在紧邻氧化 剂入口端、喷射器、喷嘴或其它用于将氧化剂引入工艺微通道的装置。 所述的氧化剂就能在进入下一个翅片区之前充分或部分地与流过工艺 微通道的流体进行混合。
在一个实施方案中，翅片140可以不都具有相同长度，如图9所示。 有些翅片140可延伸至工艺微通道110的整个长度，而其它翅片可只延 伸到部分路径。该实施方案对于在反应区前方具有最大质量传递阻力的 一些反应是有利的。更小的翅片间隔可减小反应物到达催化剂或吸附剂 壁的运输距离，该质量运输时间大致等于扩散距离的平方除以质量扩散 率。当反应或吸附进行时，沿着该区域长度方向，可不必要继续这种密 间隔的翅片布置，这具有降低总的压降的优点。另一个优点是增强的热 传递，所述增强的热传递出现在翅片间隔更小的区域。在靠近反应物浓 度最高的反应区的前方传递多得多的热量可以是有益的。附加的翅片增 加了额外的热传递表面积，加上被降低的水力直径进一步增加局部对流 热交换系数。
可选的实施方案是使用具有不同高度的翅片140，如图10所示。有 些翅片可相对较高，而其它翅片相对较短，相对较高的翅片可与上壁122 相接触，而其它翅片仅填充了工艺微通道110的间隙或高度的一部分(例 如，约10％至约90％)。这种构造的一个优点是通过减小流动阻塞而降低 总的压降，只需要对用于热量或者质量传输的表面积适度增加的一些工 艺可采用该构造。
相对于翅片140插入工艺微通道100内部，翅片140也可在基部壁 120上直接形成。这些翅片可采用开槽锯、光化学机械加工或电气化学 机械加工而形成。如图11所示，工艺的流动路径可包括一个通道，该 通道在一个区段不发生阻塞，然后进入包含翅片的反应区或吸附区。所 述的翅片可从基部壁120的一端延伸到另一端，或者，可选地在翅片较 短时就停止在基部壁120内延伸。
在外部形成后置于工艺微通道110内部的翅片可制成足够宽以使每 次可填充一个微通道，或者，也可以制成更宽一些以同时填充多个微通 道。图12显示了跨越四个工艺微通道的翅片组的示例。这些翅片可在 层状薄片堆叠过程中插入，并随后扩散结合形成整体部件。这些翅片的 优点是在结合过程中为微通道壁提供了额外的支撑，所述的翅片可选地 在扩散结合之后插入，并且在工艺微通道的操作之后移走进行更新或替 换。
催化剂或吸附介质可通过常规技术沉积在外表面148、覆盖该外表 面的多孔材料或者表面增强物之上，如图4和5所示。这些常规技术包 括将催化剂或吸附介质涂覆(washcoating)在翅片表面、使催化剂或 吸附介质从溶液中生长到翅片表面或者采用气相沉积(vapor deposition)将催化剂或吸附介质沉积在翅片表面上。气相沉积可以是 化学气相沉积或者物理气相沉积。
催化剂可包括适用于涉及使用流体反应物的化学反应器的任何催 化剂。该催化剂可以是在进行下列化学反应中的一个或更多个反应中有 用的催化剂：乙酰化加成、烷基化、脱烷基化、加氢脱烷基化、还原性 烷基化、胺化、氨合成、芳构化、芳基化、自热重整、羰基化、脱羰基 化、还原性羰基化、羧基化、还原性羧基化、还原性偶合、缩合、裂化、 加氢裂化、环化、环齐聚、氨氧化、水-汽转换、脱卤化、二聚、环氧 化、酯化、费-托反应、卤化、加氢卤化、同系化、水合、脱水、加氢、 脱氢、加氢羧基化、加氢甲酰化、氢解、加氢金属化、硅氢加成 (hydrosilation)、水解、加氢处理、异构化、甲基化、脱甲基化、易 位、甲醇合成、硝基化、氧化、部分氧化、聚合、还原、重整、逆水汽 变换、磺化、调聚、酯交换、三聚、萨巴蒂埃(Sabatier)反应、二氧 化碳重整、选择性氧化(preferential oxidation)、或选择性甲烷化 反应。
该催化剂可包括选自Mo、W、V、Nb、Sb、Sn、Pt、Pd、Cs、Zr、Cr、 Mg、Mn、Ni、Co、Ce，或其中的两种或更多种的混合物中的金属、金属 氧化物或金属的混合金属氧化物。这些催化剂也可包括碱金属、碱土金 属、其它过渡金属、稀土金属或者镧系元素中的一种或更多种，另外还 存在诸如P和Bi之类的元素。
催化剂可包括一种或更多种：催化剂金属，包括贵金属、过渡金属 以及它们的组合；金属氧化物，包括碱金属、碱土金属、硼、镓、锗、 砷、硒，碲、铊、铅、铋、钋、镁、钛、钒、铬、锰、铁、镍、钴、铜、 锌、锆、钼、锡、钙、铝、硅、镧系元素的氧化物及其组合；复合材料； 沸石；氮化物；碳化物；硫化物；卤化物；磷酸盐；以及上述任意物质 的组合。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12WaBibFecCodNieSifKgSnhOx
其中，a在0至5之间，b在0.5至5之间，c在0.1至10之间，d 在0.5至10之间，e在0至10之间，f在0至15之间，g在0至1之间， h在0至2之间，x是与其它元素结合的氧的数量，x取决于这些元素的 氧化状态。在美国专利6,251,821B1中描述了这些催化剂对于丙烯通过 氧化制备丙烯醛是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaBibPcX1 dX2 eX3 fX4 gOh
其中X1为V、Nb、Ta、Cr、W、Ga、Ce和/或La，X2为Li、Na、K、 Rb、Cs、Cu、Ag、Au、Pd和/或Pt，X3为Sn、Pb、Sb、Bi、Te、Fe、Co 和/或Ni，X4为Si、Al、Ti和/或Zr。a为0至2，d为0至2，a和d之 和必须至少为0.1；b为0至1.5，c为0至10，b和c之和必须至少为 0.1；e为0至0.5，f为0至0.5，g为0至20，h是一个不为零的数， 该数由除氧外的元素的化和价和出现频率决定。在美国专利6,252,122B1 中公开了该催化剂对于将丙烷转化成丙烯醛是有用的，该专利通过引用 并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12BiaFebX1 cX2 dX3 eX4 fOn
其中X1为Ni和/或Co，X2为Ti、一种碱金属和/或碱土金属，X3为 Zn、P、As、B、Sb、Sn、Ce、Pb和/或W，X4为Si、Al、Ti和/或Zr。a 为0.5至5；b为0.01至5，在一个实施方案中，b为2至4；c为0至 10，在一个实施方案中，c为3至10；d为0至2，在一个实施方案中， d为0.02至2；e为0至8，在一个实施方案中，e为0至5；f为0至10； n是一个由氧以外的元素的化和价和出现频率决定的数。在美国专利 6,395,936B1中公开了这些催化剂对于将丙烷氧化成丙烯醛是有用的，该 专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
[BinAaOx][(100-z)％EeFefNigMomOy+z％SiO2]
其中，A是选自B、P和Mo中的至少一种元素；E是至少一种原子价 为2的元素；当m为1时，n为0.001至3，a为0至3，e为0至3，f 为0.01至5，g为0.1至5，z为0至90；x和y分别是满足芯和壳(core and shell)催化相中的氧对其它元素的化和价要求的数。在美国专利 6,410,800B1中公开了该催化剂对于将丙烷氧化成丙烯醛是有用的，该专 利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12Co3.5Bi1.1Fe0.8W0.5Si1.4K0.05Ox 或
Ni2.1Co3.5Fe2.6P0.43Bi1.0Mo9.3Mn0.15Cr0.09Ba0.07Zr0.0012K0.07Ox
其中，x是与其它元素结合的氧的数量，取决于这些元素的氧化状态。 在美国专利6,437,193B1中公开了这些催化剂对于将丙烷氧化成丙烯醛 是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
BibMocVvAaDdEeOx
其中，A是K、Na、Li、Cs和Ti中的一种或更多种；D是Fe、Ni、 Co、Zn、Ce或La中的一种或更多种；E是W、Nb、Sb、Sn、P、Cu、Pb、 B、Mg、Ca或Sr中的一种或更多种；a、d和e均为0至10；b为0.1至 10；c为0.1至20；v为0.1至10；c∶b为2∶1至30∶1，v∶b为1.5至 8∶1；x是由上式中氧以外的元素的频次和化和价决定。在美国专利 5,198,580中公开了该催化剂对于将丙烷氧化成丙烯酸、丙烯、丙烯醛和 乙酸是有用的。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
M1 aMo1-bM2 bOx
其中，M1是Co、Ni、Mg、Zn、Mn和/或Cu；M2是W、V、Te、Nb、P、 Cr、Fe、Sb、Ce、Sn和/或La；a为0.5至1.5，b为0至0.5；x是由氧 以外的元素的频次和化和价决定的数。在美国专利6,388,129B1、 6,423,875B1和6,426,433B1中公开了这些催化剂对于将丙烷转化成丙 烯醛和/或丙烯酸是有用的，这些专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
AaBbCcCadFeeBifMo12Ox
其中，A是Li、Na、K、Rb或Cs中的一种或更多种；B是Mg、Sr、 Mn、Ni、Co或Zn中的一种或更多种；C是Ce、Cr、Al、Sb、P、Ge、Sn、 Cu、V或W中的一种或更多种；a为0.01至1.0；b和e为1.0至10；c 为0至5.0，在一个实施方案中，c是0.05至5.0，在另一个实施方案中， c是0.05至4.0；d和f是0.05至5.0；x是所存在其它元素的化和价要 求所决定的数。在美国专利6,268,529B1中公开了这些催化剂对于将丙 烷转化成丙烯醛和丙烯酸是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12V4.8Sr0.5W2.4Cu2.2Ox
其中，x是与其它元素结合的氧的数量，取决于这些元素的氧化态。 在美国专利6,310,240B1中公开了该催化剂对于将丙烯醛转化成丙烯酸 是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaWbVcAdBeOx
其中，A是Fe、Cu、Bi、Cr、Sn、Sb、Ni、Co、Mn、Ce或Tl；B是 一种碱金属或碱土金属；a、b、c、d、e和x分别表示Mo、W、V、A、B 和O的原子比；当a为10时，b为1.5至4，c为1至5，d为1至4，e 为0至2，x根据其它元素的氧化态而定。在美国专利6,384,275B2中公 开了该催化剂对于将丙烯醛转化为丙烯酸是有用的，该专利通过引用并 入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12VaX1 bX2 cX3 dX4 eX5 fX6 gOn
其中X1为W、Nb、Ta、Cr和/或Ce，X2为Cu、Ni、Co、Fe、Mn和/ 或Zn，X3为Sb和/或Bi，X4为一种或更多种碱金属，X5为一种或更多种 碱土金属，X6为Si、Al、Ti和/或Zr。a为1至6；b为0.2至4，c为 0.5至18，d为0至40，e为0至2，f为0至4，g为0至40，n是由 氧以外的元素的化和价和频次决定的一个数。在美国专利6,403,829B2 中公开了该催化剂对于将丙烯醛转化成丙烯酸是有用的，该专利通过引 用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaVbWcCudXeOg
其中，X是选自由Mg、Ca、Sr和Ba组成的元素组中的至少一种元素， a、b、c、d、e和g分别表示Mo、V、W、Cu、X和O的原子比，因此，当 a为12时，b在2至14的范围内，c在0至12的范围内，d在0至6而 排除0的范围内(例如，0.1至6)，e在0至3的范围内，而g是一个由 各元素的氧化态决定的数字。美国专利6,409,331B1中公开了该催化剂， 它对于将丙烯醛转化成丙烯酸是有用的。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaWbBicFedAeBfCgDhEjOx
其中：A是Ni或Co；B是Na、K、Rb、Cs或Tl；C是一种碱土金属； D是P、Te、Sb、Sn、Ce、Pb、Nb、Mn、As、B或Zn；而E是Si、Al、Ti 或Zr。当a是12时，b是从0至10，c是从0至10，d是从0至10，e 是从2至15，f是从0至10，g是从0至10，h是从0至4，1是从0至 30，而x由每一种元素的氧化度决定。美国专利6,383,973B1中公开了 该催化剂，它对于将丙烯、异丁烯，叔丁醇或甲基-叔丁基醚转化成(甲 基)丙烯醛或(甲基)丙烯酸是有用的。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaPbAcBaCeDfOx
其中，A是至少一种选自由As、Sb、Ge、B i、Zr、Ce和Se组成的组 的元素；B是至少一种选自由Cu、Fe、Cr、Ni、Mn、Co、Sn、Ag、Zn、 Pd、Rh和Te组成的组的元素；C是至少一种选自由V、W和Nb组成的组 的元素；D是至少一种选自由碱金属、碱土金属和Tl组成的组的元素； 而a、b、c、d、e、f和x分别表示Mo、P、A、B、C、D和O的原子比， 因此，当a为12时，b是一个在0.5至4的范围内的数字，在一个实施 方案中为0.5至3；c是在0至5的范围内，在一个实施方案中为0.01 至3；d在0至3的范围内，在一个实施方案中为0.01至2；e在0至4 的范围内，在一个实施方案中为0.01至3；f在0.01至4的范围内，在 一个实施方案中为0.01至3；而x是一个由各元素的氧化态决定的数字。 美国专利5,618,974中公开了该催化剂，它对于将甲基丙烯醛、异丁醛 或异丁酸转化成甲基丙烯酸是有用的。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括含有Mo、V、Nb和Pd或Mo、La、V和Pd的氧化催化 剂。具体的实施例包括
MoV0.396Nb0.128Pd0.000384
和
MoV0.628Pd0.000288La0.00001
美国专利6,274,764B1中公开了这些催化剂，该专利作为参考文件 列入此处。
作为参考文件列入此处的美国专利6,143,921中公开了三种氧化催 化剂，其任一种均可用于本发明方法。第一种催化剂由化学式MoaVbNbcPdd 表示，其中：a是1至5；b是0至0.5；c是0.01至0.5；而d是0至 0.2。a、b、c和d的数值分别表示催化剂中元素Mo、V、Nb和Pd的相对 克原子比例。这些元素以不同的氧化物的形式与氧结合而存在。第二种 催化剂是一种含元素Mo、V、Pd、Nb、La和X的组合物，其中X是氧化 物形式的Al、Ga、Si或Ge，其比例为MoaVbLacPddNbeXf，其中：a是1；b 是0.01至9；c是＞0至0.2；d是＞0至0.2；e是＞0至0.2；而f是＞0 至0.3。第三种催化剂由一种如化学式MoaVbNbcXd所表示的煅烧组合物形 成，其中X是至少一种选自由P、B、Hf、Te和As组成的组的助催化剂 元素；a为大约1至5；b是1；c为大约0.01至0.5；而d为大约0至 0.1。
催化剂可以是一种氧化催化剂，包括根据如下化学式的与氧结合的 的元素钼、钒、铌和金：
MoaWbAucVdNbeYf
其中：Y选自由Cr、Mn、Ta、Ti、B、Al、Ga、In、Pt、Zn、Cd、Bi、 Ce、Co、Rh、I r、Cu、Ag、Fe、Ru、Os、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、 Zr、Hf、Ni、P、Pb、Sb、Si、Sn、Tl、U、Re、Te、La和Pd组成的组中 的一种或多种元素；a、b、c、d、e和f代表元素的克原子比例，使得 0＜a≤1；0≤b＜1；a+b＝1；10-5＜c≤0.02；0＜d≤2；0＜e≤1；而0＜f≤2。美国 专利6,333,444B1中公开了该催化剂，它可用于乙烷或乙烯至乙酸的氧 化反应。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可以是一种具有如化学式MoaVbNbcPdd所表示的煅烧组合物的 氧化催化剂，其中：a为1至5；b为0至0.5；c为0.01至0.5；而d 为0至0.2。美国专利6,383,977B1中公开了该催化剂，用于将乙烷转化 为乙酸。该专利作为参考文件列入此处。
作为参考文件列入此处的美国专利6,441,227B1中公开的两种氧化 催化剂在本发明方法中可分别或相互组合使用。第一种催化剂是一种如 下化学式表示的混合金属氧化物：
MoaPdbBicFedX1 eX2 fX3 gOz
其中：X1是至少一种或多种Co、Ni、V、Pt或Rh；X2是至少一种或 多种Al、Ga、Ge、Mn、Nb、Zn、Ag、P、Si或W；X3是至少一种或多种K、 Mg、Rb、Ca、Sr、Ba、Na或In；O是氧，而a是1；0＜b≤0.3；0＜c≤0.9；0＜d ≤0.9；0＜e≤0.9；0＜f≤0.9；0＜g＜0.3；而z是一个为满足化学式中其他 元素的价位所需要的数。该催化剂被描述成可用于将烯烃转化成α，β- 不饱和醛。第二种催化剂是一种由下式表示的金属氧化物：
Moa1Vb1Alc1Xd1Ye1Oz1
其中X是W或Mn或两者；Y是至少一种或多种Pd、Sb、Ca、P、Ga、 Ge、Si、Mg、Nb或K；O是氧，而a1是1；b1为0.01至0.9；0＜c1≤0.2；0＜d1 ≤0.5；0＜e1≤0.5；而z1是一个为满足化学式中其他元素的价位所需要的 数。该催化剂被描述成可用于将α，β-不饱和醛转化为α，β-不饱和羧酸。
催化剂可包括由下式表示的氨氧化反应催化剂：
AaKbCscMgdNieFefBigMo12Ox
其中A是选自Co、Mn、Cr、P、Sb、Te、Na、Ce或W的一种或多种 元素，a是从0至5的一个数；b是从0至0.4的一个数；c是从0至0.4 的一个数，条件是b和c之和为从0.1至0.4；d、e、f和g为从大约0.2 至10的数，而x是一个由其它元素的价位需要决定的数字。美国专利 5,093,299中公开了该催化剂，可用于在上述催化剂存在下通过使烯烃、 氨和氧反应而将一种烯烃(例如，丙烯或异丁烯)转化为相应的不饱和 腈(例如，丙烯腈或甲基丙烯腈)。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括由下式表示的氨氧化反应催化剂：
VSbaMmMnOx
其中a为0.5至2；M是Sn、Ti、Fe或Ga中的一种或多种；m为0.05 至3；N是W、Bi、Mo、Li、Mg、P、Zn、Mn、Te、Ge、Nb、Zr、Cr、Al、 Cu、Ce或B中的一种或多种；n为0.0至0.5；而x是由每一种其他元素 的氧化度决定的数字。该催化剂在美国专利5,258,543中公开，它可用 于将C3至C5单烯氨氧化反应成3至5个碳原子的α，β-单不饱和无环腈 (例如丙烯腈)。
作为参考文件列入此处的美国专利6,486,091B1中公开了一种如下 化学式表示的氨氧化反应催化剂
BiaMobVcSbdNbeAfBgOx
其中：A选自元素周期表中的VB族(例如，V、Nb、Ta)、VIB族(例 如，Cr、Mo、W)、VIIB族(例如，Mn、Tc、Re)或VIII族(例如，Fe、 Co、Ni)的一种或多种元素；B为选自元素周期表的IA族(例如，Li、 Na、K)或IIA族(例如，Mg、Ca)的至少一种碱性助催化剂；a为0.01 至12；b为0.01至12；c为0.01至2；d为0.01至10；e为0.01至1； f为0至2；g为0至1；而x是为满足存在的元素的价位要求所需的氧 原子数。该催化剂被描述成可用于将烯烃转化为不饱和腈。
吸附介质可以包括被配位体(ligand)络合(complex)的(例如， 螯合的)金属离子。该金属离子可以与O2络合，或与其他待分离的流体 成分络合。可使用的该金属离子包括Fe(II)、Co(II)、Cu(I)、V(II)、Mn(II)、 Mn(III)、Cr(II)、Ag(I)、Rh(I)、Rh(II)、Rh(III)、U(IV)、V(IV)、Ru(II)、 Ru(IV)、Ti(III)、Cr(IV)、Bi(III)、Ni(II)、W(V)、W(IV)、Mo(II)、Mo(III)、 Mo(IV)、Mo(V)、Mo(VI)，或其两种或更多种物质的组合。上述的罗马 数字表示的是离子的氧化态或化合价数。
可用于络合金属离子的配体包括：联吡啶基、2，6-[1-(2-咪唑-4-基 乙基亚氨基)乙基吡啶]、轮环藤宁(cyclen)、仙客木(cyclam)、席夫 (Schiff)碱配体、乙酰基丙酮酸酯或其低聚物或聚合物、羧酸酯、联 吡啶或其低聚物或聚合物、卟啉或其低聚物或聚合物、呵啉(corin)或 其低聚物或聚合物、聚酰胺、蛋白质、8-羟基喹啉或其低聚物或聚合物、 半胱乙酯(cysteinate)或其低聚物或聚合物、N-烷基烷链异羟肟酸、 二甲基乙二肟、均二乙基乙烯二氨、或其中两种或更多种物质的组合物。 配体可包括氟-碳键。配体可以为氟化的(例如，全氟化的)。
在一个实施方案中，金属离子配体的配位化合物可以为轴向配体。 这些配体适用于氧气的纯化，这是由于它们倾向于提供与氧原子间的适 合的键从而允许加合物的形成，而不会氧化金属。实施例包括：咪唑、 组氨酸氨基酸、吡啶、哌啶、4-甲基氨基吡啶、4-二甲基氨基吡啶、硝 酸盐、硫氰酸酯、卤化物，或其中两种或更多种物质的组合物。
可用的吸附介质可以是血红蛋白；血赤藓素(hemoerythyrin)；血 蓝蛋白；肌红蛋白；Co(II)(双(乙酰丙酮)乙二胺四齿席夫碱配 体)(acacen)；Co(II)(干洞)(dry cave)(N-甲基咪唑)；Fe(II)(四-(2- 新戊酰基苯基)卟啉)(H2TpivPP)B；Fe(II)(封端的卟啉)(capped porphyrin)B；Fe(2-羟基-1，10-邻菲咯啉)2 2+((ophen)2 2+)；双(乙基 半胱氨酸基(cysteinato))氧化钒(IV)；Cu(I)((1H-苯并咪唑-2-基 -甲基)磷酸酯)(bimp)；双(二甲基乙二肟基(dimethylglyoximato)) 钴(II)；双(组氨酸)钴(II)；二硝酸基(dinitrato)-双(均二乙基乙 烯二胺)(sym-diethylethylenediamine)钴(II)；二氯-双(均二乙基 乙烯二胺)钴(II)；[间-四(α，α，α，α-邻-新戊酰氨基苯基 (pivalamidophenyl))卟啉]钴(II)；[N，N，-双(亚水杨基)(salicylicylidene) 二丙烯三氨]钴(II)；[2，3，10，11，13，19-六甲基-3，10，14，18，21，25-六氮杂双环 [10.7.7]二十六-1，11，13，18，20，25-己烯-κ4N]钴(II)六氟磷酸酯；[N，N’-双 (亚水杨基)乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-甲氧基亚水杨基)乙烯二胺] 钴(II)；[N，N’-双(亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-甲 氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-异丙氧基亚水杨基) 四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-乙氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺] 钴(II)；[N，N’-双(5-甲氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’- 双(5-正丁氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(亚水杨基)乙 烯二胺]钴(II)；钴(II)卟啉配合物；封装在沸石内的金属-氰化物配合 物；氰基钴酯(cyanocobaltate)；含有二铁(III，IV)、二铜(II)或二锰 核的血色素、蚯蚓血红蛋白(hemerythrin)或血蓝蛋白；N，N’-二亚水杨 基乙烯二胺钴(II)；钴-二-(3-甲氧基水杨醛特丁基胺)；[N，N’-双(亚水 杨基)n-丙基二丙烯三胺]钴(II)、1-甲基咪唑；2-甲基咪唑；4-二甲基氨 基吡啶；氰基吡啶；与衍生于乙烯-二氨-四乙酸、甲基丙烯酸甲酯和丙烯 酸丁酯的共聚物螯合的钴；双(组氨酸)钴(II)；[α-单(邻-甲基丙烯酰 氨基苯基)-α，α，α-三(邻-新戊酰氨基苯基)卟吩基(porphinato)]钴；[内 消旋-α，α，α，α-四(邻-新戊酰氨基苯基)卟吩基]-铁(II)；钴(II)内消旋- 四-苯基-卟啉；钴(II)内消旋-四(2-氯苯基)卟啉；钴(II)内消旋-四 (4-氯苯基)卟啉；钴(II)内消旋-四(4-甲氧基苯基)卟啉；钴(II) 内消旋-四(2，4-二甲氧基苯基)卟啉；钌(III)双(水杨醛)乙烯二亚 胺；钌(III)双(水杨醛)二乙烯三亚胺；钌(III)双-(吡啶醛 (picolinaldehyde))-邻-亚苯基二亚胺；钌(III)双(吡啶醛)乙烯二亚 胺、钌(III)双(吡啶醛)二乙烯三亚胺；双(二甲基乙二肟基)镍(II)； 双(二甲基乙二肟基)钴(II)；双(二甲基乙二肟基)铜(II)；二硝酸 基-双(均二乙烯二胺)钴(II)；二氰硫基-双(均二乙烯二胺)钴(II)； 二氯-双(均二乙基乙烯二胺)钴(II)；钴二-(水杨醛)-3，3’-二亚胺-二 -邻-丙基氨；N，N’-二亚水杨基乙烯二氨钴(II)；N，N’-乙烯-双(5-硝基 -亚水杨基-亚氨基(iminato))钴(II)，或其中两种或更多种物质的组合 物。
吸附介质可以是无机物。可用的无机吸附介质的实例包括：Sb2O5、 AgO、PtO、CrO2、PbO、HgO、Cu2O、MnO、Mn2O3、Bi2O4、NiO、NiO2、 Cu2O3、SnO、SnO2、WO2、WO3、W2O5、全氟化的薄膜、Pt/g-氧化铝、 Fe/g-氧化铝、Cu/g-氧化铝、Zn/g-氧化铝、Co/g-氧化铝、沸石，或其中 两种或更多种物质的组合物。这个组包括金属氰化物的低聚物和聚合物。 它们包括分子式为[Cu(I)(CN)x]n、[Fe(II)(CN)y]n或[Co(II)(CN)y]n的低聚物 或聚合物，其中x为3，y为5；而n是至少2的一个数，在一个实施方 案中在大约2至大约16,500的范围内，在另一个实施方案中约为1000 至约10,000。
吸附介质可包括银、金、铂、铜、锌、钯、镍、沸石、硅胶、碳分 子筛、聚合物材料、矾土、无机络合物(例如，金属居中的卟啉环)或 其中的两种或更多种物质的组合物。
在一个实施方案中，吸附介质包括反应性配位吸附剂，在相对高的 温度下，该吸附剂与流体成分形成可逆的化学配位，其中流体成分被吸 附介质表面吸附。在较低的温度下，化学反应是可逆的，并且配位的流 体以更纯的形式回收。
吸附介质可包括抗氧化剂。这样的实施例包括二胺、苯酚磷酸盐、 亚磷酸盐、酚醛树脂(phenolics)、双酚醛树脂、羟胺、烯烃羧酸酯、氨 基羧酸酯(例如，乙烯二胺四乙酸及其盐)、维生素E、二-叔丁基-对-甲 酚、锡盐、锡的氧化物、山梨酸酯、聚山梨醇酯，或其中两种或更多种 物质的组合物。
本发明的一个优点是使用翅片结构负载活性吸附介质使得可以相对 较快的热摆动(thermal swing)。金属翅片结构依据选择的材料其热传 导率可在大约10至大约20W/m/K或更大的范围内。铝可以超过100W/m/K。 另一方面，多孔介质诸如小球或粉末吸附剂床的热传导率通常在大约0.2 至大约2W/m/K的范围内。因此，由于与多孔介质相比，通过翅片的热传 递有所提高，使用翅片负载的吸附剂介质能提供更快的周期时间。周期 时间的差异大致与吸附介质的热传导率差成比例。与多孔吸附介质相比， 使用翅片负载的吸附介质允许每一周期的时间显著减少。该周期时间的 改善既有利于气相分离工艺，也有利于液相的吸附分离工艺。
实施例1
在采用FeCrAlY翅片负载的SMR催化剂的微通道反应器中进行一个 在热传递平面的反侧上的带完全燃烧的蒸汽/甲烷重整(SMR)过程。使 用插入在工艺微通道中的翅片上的SMR催化剂产生了令人惊讶的高热通 量(10至141W/cm2)、低SMR接触时间(10至0.7ms)和低SMR压降。
除了负载SMR催化剂的FeCrAlY翅片外，微通道反应器由不同厚度 的英科耐尔合金(inconel)617板构成，该板被堆叠、夹紧在一起，并在 周界处焊接，形成反应器，其底部(footprint)尺寸为3.63英寸×0.5 英寸(92mm×12.7mm)，高0.67英寸(17.1mm)。所有用于气体流动的通 道都采用常规的机械加工，通过电火花加工(electrode discharge machining)(EDM)形成的空气喷射孔(air jet orifice)除外。一空 气集管(header)板(6.35mm厚，底部为56.5mm×12.7mm)被焊接入一 机械加工进空气喷射孔上的燃烧板内的一个2.54mm深的袋中。在与燃烧 板相邻的表面上，机械加工有一空气集管通道，尺寸为深0.125英寸 (3.18mm)，宽0.080英寸(2.03mm)，长1.84英寸(46.9mm)。燃烧板 与一腹板(web plate)邻近堆叠，该腹板与一SMR板邻近堆叠。SMR板 被分成位于同一平面上的三个部分，在堆叠后各自焊接在一起并与腹板 焊接。沿着中心SMR部分(在17.7mm长的集管和尾管部分中心)的整个 56.7mm长度的方向上机械加工有一含翅片的微通道。每一相邻的SMR板 部分在那里都形成一横截面为2.03mm×0.66mm，长为12.6mm的集管或尾 管。在和腹板相邻的表面上对燃烧板进行机械加工，形成一1.78英寸 (4.52mm)长的燃烧通道，以给吸热的SMR反应提供热量。燃烧通道的 横截面的尺寸为0.080英寸×0.036英寸(2.03mm×0.91mm)。燃烧板还 含有集中在沿流动方向的燃烧通道中心线上的喷射孔，所述孔通过电火 花加工(EDM)法机械加工，穿过0.150英寸(3.81mm)的板厚度，从而 连接空气集管通道与燃烧通道。燃烧流与SMR气体同向流动给料。燃烧 通道在燃烧通道的进口处给入氢，而预热空气在分布于燃烧区的45.2cm 长度的上述空气喷射孔，具体地说在燃烧区域入口下游的1.0、2.7、4.8、 7.4、14.7、24.4和34.0mm处引入。在1.0mm和4.8mm轴向位置的空气 喷射孔的横截面为沿流动轴长方形，其尺寸为0.024英寸×0.012英寸 (0.61mm×0.30mm)且在两端均为整圆形(full round)。喷射孔在2.7mm 轴向位置的横截面是“指向”下游的等边三角形，它具有为0.024英寸 (0.61mm)的边长和角落上的0.05mm半径的圆。所有其他空气喷射孔的 横截面都为圆形，直径为0.012英寸(0.30mm)。氢燃料在一横截面为 2.03mm×0.41mm的23.4mm长的集管区中被带进燃烧区。在燃烧燃料集管 的末端，0.41mm尺寸以突然向喷射孔从腹板(web)扩展开的方式展开为 0.91mm。分开燃烧通道和SMR反应工艺微通道的是一0.060英寸(1.52mm) 腹板，该腹板为实心板，除了0.023英寸(0.58mm)直径的从腹板周边 至中心(也是微通道宽度的中心)钻孔0.25英寸(6.35mm)深的热电偶 (温度计)插孔外。这些位于沿反应区长度方向的六个位置的热电偶插 孔允许在SMR和燃烧通道之间的金属中进行温度测量，该测量采用 0.50mm K型非接地的英科耐尔合金铠装的热电偶，但不损害在燃烧通道 或SMR通道两者上的气密密封。气体被引入空气、氢和SMR反应物入口 中，且从通过和每一板的平面垂直方向延伸的1.75mm内径(3.18mmOD) 管从燃烧废气和SMR产物出口移除。额外的四个1.75mmID管提供了在翅 片的两端进入SMR通道的通路和在相应于燃烧区的起始和末端水平进入 燃烧通道的通路。
插入到微通道中的FeCrAlY翅片在基部长1.78英寸(4.52cm)，宽 0.100英寸或2.54mm。基部高度为0.006英寸或0.152mm。每一翅片高 0.014英寸且置于0.006英寸基部顶端。每一翅片和相邻的翅片间隔 0.010英寸，以产生0.010英寸的用于流动的间隙。从翅片支撑物上突出 有4个翅片。该翅片支撑物置于分隔SMR反应工艺微通道和相邻的热交 换燃烧反应腔室的热传递平面的顶端。
含有翅片插入物的微通道的横截面为0.080英寸(2.03mm)(在翅片 基部延伸至0.100英寸(2.54mm))×0.026英寸(0.66mm)。该微通道反 应器翅片的长度为1.78英寸(4.52cm)，其含有涂覆在FeCrAlY翅片插 入物上的SMR催化剂。翅片在焊接反应器之前被插入进微通道反应器中， 随同该翅片一起插入的还有在翅片每一端的两片英科耐尔合金片 (0.18mm×2.54mm×5.74mm)，该合金片用作把翅片固定在通道中的纵向 中心并阻止在翅片的直接上游和下游的翅片基部平面中的流动。
在将FeCrAlY翅片插进工艺微通道之前，通过超声清洗机用2-丙醇、 HNO3(20wt％)和去离子水各清洗10min。然后，在放进工艺微通道和在 周边焊接装置之前，在空气中于1000℃下以3.5℃/min的加热和冷却速 率热处理8hr。
在用催化剂涂覆FeCrAlY翅片之前，当以3.5℃每分钟加热至1000 ℃时，通过在每一入口管(空气、燃料、SMR反应物)流入200标准立方 厘米(sccm)氮气的方法，在FeCrAlY翅片上生成一氧化物层。然后停 止氮气流动，在1000℃下通过三个入口给料200sccm无烃空气达24小时。 然后以3.5℃每分钟把该装置冷却至25℃(维持连续空气流动)，并放置 在工艺微通道中。将该装置焊接在周边。
通过使用外部涂覆孔，仅在相应于SMR翅片载体(substrate)的区 域用稳定剂和活性金属涂覆SMR和燃烧反应物通道。将矾土溶胶涂层涂 到整个反应器上，包括入口和出口管道系统，以有助于防止本底活性 (background activity)。
从具有垂直朝向的通道底部用注射器将矾土溶胶(萨索尔(Sasol) 提供的14N4-25)引入燃烧和SMR通道中，以填充通道和入口/出口管道 系统。在溶胶从通道中移除之前装置被允许浸泡2分钟。以5标准升每 分钟(SLPM，标准的定义是0℃，1个大气压)给料氮气以除去过量的溶 胶。该装置用150cc/min的无烃空气流在炉子中于100℃干燥1小时，随 后以10℃/min的加热和冷却速率在450℃煅烧4小时。然后用所描述的 第一层溶胶涂层相同的方法在燃烧和SMR通道上涂第二层溶胶。用注射 泵(syringe pump)以60ml/hr的速率将重量百分比为10％的 La(NO3)3·6H2O连续地引入燃烧通道中。在该步骤和随后的步骤中，通过 在反应区的一端的载体涂料管连续引入该溶液，并通过在具有水平取向 的通道的加工区的另一端的载体涂层管移除。在这一涂覆步骤中，通过 入口和出口管道系统引入20sccm氮气以阻止渗入入口和出口区域。随后 从通道中除去溶液，用氮气冲刷装置以除去过量溶液。重复相同的步骤 以用La(NO3)3·6H2O水溶液涂覆SMR通道。在用氮气冲刷SMR通道后，在 150cc/min的无烃空气中于100℃干燥1小时。然后在1000℃以加热和冷 却速率为3.5℃/min煅烧4小时。
用硝酸盐形式的前体给燃烧通道涂覆由原子比为4∶1的镨和钯组成 的第一活性金属层。用和先前描述的用于La步骤相同的方法，将溶液引 入燃烧通道中，然后移除。将装置在150cc/min的无烃空气中于100℃干 燥1小时，然后在1000℃以加热和冷却速率为10℃/min煅烧1小时。
使用注射泵用10％重量百分比的Pt(NH3)4(NO3)2在燃烧通道中涂覆由 铂组成的第二活性金属层。用和先前描述的用于La步骤相同的方法，将 溶液引入燃烧通道中，然后移除。使用注射泵给SMR通道涂覆由在硝酸 盐溶液中的10％重量百分比的铑组成的第二活性金属层。用和先前描述 的用于La步骤相同的方法，将溶液引入SMR通道中，然后移除。将装置 在以150cc/min流动的无烃空气中于100℃干燥1小时，然后在1000℃ 以加热和冷却速率为3.5℃/min煅烧1小时。
整个反应器在15cm蛤壳式(clamshell)的Ni-Cr陶瓷加热器中操 作，该加热器保持在低于最高燃烧腹板(web)温度大约25-50℃的温度， 以抵消热损失效应。通过外部加热器给反应物和空气流提供预热。
通过布鲁克斯5850e和5851e系列质量流量控制器给料每一种反应 物气体。压力用努肖克公司(NOSHOK)1001501127和1003001127型压力传 感器测量。气体组合物通过热传导率探测器气相色谱分析。为了正确操 作，所有设备都经过校准和校验。流量率用被拜斯国际(BIOS International)校准和保证的主标准校准器、干-校(Dry-Cal)DC-2M 主流量校准器校准。压力传感器用带福禄克(Fluke)校准和保证的福禄克 700P07或700P06压力模块(module)的福禄克7181006型压力校准器 校准。气相色谱用普莱克斯销售公司(Praxair Distribution Inc.)混合 和保证的校准气体校准。使用纯氢做燃烧燃料且用5-27％过量的空气。 燃烧排气分析一致性地显示了100％的氢转化率。
“平均面积热通量”的定义是吸热反应的热负荷除以和翅片基部的 相邻的热传递表面的平面面积。该面积是用于从热交换通道向翅片基部 的热交换的通道。
“腹板(web)”的定义是分隔吸热反应(含翅片)工艺微通道和热 交换燃烧反应腔室的壁。
“平衡转化率温度”(表1)是给定的入口组合物产生与在测量的过 程出口压力下测量的甲烷转化率相等的平衡甲烷转化率所需的温度。类 似地，“平衡选择性温度”(表1)是给定的入口组合物产生与在测量的过 程出口压力下测量的CO选择性相等的平衡CO选择性值所需的温度。平 衡气体组合物用NASA路易斯(NASA LEWIS)热力学平衡代码或ChemCAD 计算。甲烷转化率和对一氧化碳的选择性由气相色谱测量的干燥产物气 体组合物依据等式1和2计算
CH4转化率＝1-(YCH4/YCH4+YCO+YCO2) (1)
CO的选择性＝YCO/(YCO+YCO2) (2)
其中Y是每一所指的组分的摩尔分数。
接触时间(CT)是气体每小时空速(GHSV)的倒数，乘以将倒数的 小时转换成毫秒的转换因数：
CT＝(1/GHSV)(3600000ms/hr)
其中GHSV是倒数小时的气体每小时空速。对反应器给料的体积流量率的 速率在0℃和1大气压的标准条件下定义，用于计算接触时间或者GHSV 的目的。因而接触时间和GHSV仅取决于入口摩尔流量率和反应腔室体积。
反应器的性能数据见表1和图13、图14。在最高金属腹板温度为950 和900℃时，平衡SMR转化率和选择性分别在表观SMR温度为925和875 ℃下达到而＞25W/cm2的热通量在接触时间小于5毫秒(ms)时达到。在 更快的接触时间下，获得了达到90-140W/cm2的热通量，显示了SMR翅 片负载的催化剂在催化剂的上游部分跟上更高的热需求的能力。尽管在 25个大气压下的相同温度条件显示为～840℃平衡转化率，但在燃烧金属 腹板温度为875℃时14个大气压下采集的数据显示～800℃平衡转化率。
将翅片负载的SMR工艺微通道用于测试在SMR反应器的上游端所能 达到的最大热通量。在反应物的总流量率为7.4标准升每分钟(SLPM)(在 1.78英寸催化剂床中0.5ms接触时间)，25大气压，且维持最大燃烧腹 板温度为950℃时，能达到超过140W/cm2的平均热通量，且其转化率和 选择性值分别等于大约700和800℃平衡值(见表1)。
表1
条件(温度和接触时间) 950℃ 5.0ms 900℃ 2.7ms 950℃ 2.7ms 900℃ 0.7ms 950℃ 0.7ms 反应时间(time on stream)(hr) 75 25 20 92 72.5 接触时间(ms) 4.9 2.7 2.7 0.7 0.7 最高腹板温度(℃) 953 906 953 900 950 平均面积热通量(W/cm2) 29.7 43.7 50.8 94.7 141.9 平衡转化率温度(℃) 935 840 902 701 708 平衡选择性温度(℃) 924 846 901 776 792 空气入口气体温度(℃) 932 880 930 856 887 排气气体温度(℃) 940 884 938 872 917 空气入口压(kPa) 124 123 127 148 190 总燃料流量率(SLPM) 0.152 0.184 0.222 0.454 0.693 燃料H2含量(％) 100 100 100 100 100 空气流量率(SLPM) 0.460 0.460 0.554 1.135 2.095
％过量空气(基于入口 流量) 27 5 5 5 27 空气压降(kPa) 9.7 9.0 11.7 26.9 58.6 SMR入口气体温度(℃) 915 860 906 810 814 SMR出口气体温度(℃) 940 879 934 847 874 SMR入口压(kPa) 2560± 5 2560± 5 2570± 5 2600± 5 2630 ±5 SMR出口压(kPa) 2560± 5 2560± 5 2570± 5 2570± 5 2560 ±5 SMR CH4流量率(SLPM) 0.182 0.326 0.326 1.264 1.82 SMR蒸汽流量率(SLPM) 0.547 0.980 0.980 3.78 5.46 蒸汽与甲烷摩尔比 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 CH4转化率(GC基础) (％) 93.0 77.6 89.1 44.3 45.7 选择性：CO(％) 69.5 60.2 67.4 47.3 50.6 SMR(碳出)/(碳入) 1.05 1.02 1.03 1.04 0.98 距催化剂翅片上游末端 1.0mm处的腹板温度 953 906 953 900 950 距催化剂翅片上游末端 2.8mm处的腹板温度 948 906 953 898 944 距催化剂翅片上游末端 5.4mm处的腹板温度 943 901 949 888 930 距催化剂翅片上游末端 17.2mm处的腹板温度 930 895 940 878 912 距催化剂翅片上游末端 28.0mm处的腹板温度 929 886 933 864 893 距催化剂翅片上游末端 39.2mm处的腹板温度 943 888 940 866 897
炉温(℃) 935 883 934 864 902
实施例2
针对甲烷-合成气的部分氧化，设计并测试用于部分氧化反应过程中 的翅片，主要关注的特征如下：
1.高CH4转化率：翅片的使用应提供高CH4转化率。
2.高H2选择性：翅片的使用应提供高H2选择性。
3.高CO选择性：翅片的使用应提供高CO选择性。
4.低的压降：翅片的使用应产生低流动阻力。
5.机械和热强度：翅片应具有高机械强度，以维持在装置制造(像连 接)和其操作过程中通道内部的大应力条件。具有良好的热传递特性的 设计能防止热点和材料老化。
图6显示了由用于在燃烧微通道中进行POX反应过程的翅片的几何 形状。翅片的梯形形状提供了翅片基部的机械刚性。所有翅片都被支撑 在矩形基础上，以提高翅片的热传递性能。翅片由FeCrAlY用线割法(wire EDM method)制造。下表概括了翅片的尺寸：
尺寸(英寸) 翅片厚度 在基部 在顶端 0.005 0.002 翅片间隔 在基部 在顶端 0.012 0.017 翅片高度 0.029 矩形基部高度 0.020 总体宽度 0.180 总体高度 0.049 总体长度 1.500
通过混合7.2gγ-Al2O3粉末、12g去离子水和42g直径为3mm的Al2O3 珠子制备Al2O3浆液。其pH值用硝酸调至3.5-4。该Al2O3是被研磨成小 于150微米的粉末的酸性γ-Al2O3。用球磨机球磨混合物(ball-milled) 8小时。在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g 25wt.％的Al2O3溶胶(萨 索尔14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h 并冷却至室温后，在20wt.％HNO3溶液中超声清洗翅片20min。然后用去 离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下干燥1小时后，翅片在空气 中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃，并在空气中在1000℃下煅 烧8小时。煅烧后产生致密Al2O3层。该Al2O3层起一防护片的作用，也提 高了涂层和该翅片之间的粘附力。该Al2O3浆液通过浸渍洗涂到翅片上。 过量的浆液通过在涂覆表面上喷射空气来除去。将翅片在120℃干燥1 小时，然后在450℃煅烧4小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。通过浸 渍将7.5wt.％La(NO3)3溶液浸渍到翅片上。在空气中120℃干燥翅片1小 时，然后在1000℃煅烧4小时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。表面 的La2O3稳定了Al2O3。浆液填充量是25.4mg每翅片。将10wt.％Rh(NO3)3 溶液滴到翅片上，多余的溶液用压缩空气吹去。所得的翅片负载催化剂 在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1h。Rh的装载量是4.8mg 每翅片。
在1个大气压下，在一小片中测试翅片负载催化剂的将甲烷转化成 合成气的部分氧化反应。该小片是一个圆柱形棒，其直径是0.5英寸， 长度是2英寸。该小片在其中心具有一个矩形微通道隧道。该隧道沿其 内轴延伸通过该棒。该隧道的高度为0.05英寸，宽度为0.18英寸。该 翅片负载催化剂被置于该隧道中测试。在该隧道的每一侧设有气体紧密 连接。反应物穿流通过管道流入该隧道，并穿流通过该隧道和翅片负载 催化剂接触。将该小片置于一个炉子中。炉子的温度升高至保持小片的 中长度(mid-length)外表面温度为850℃。物料流在炉子入口的温度是 室温，并在进入小片之前预热。管道从炉子入口至小片的长度是10英尺。 产物流的出口压力是大气压力。小片中的压降用卡布许里克差压表 (Capsuhelic differential pressure gauge)测量。产物的成分用双柱 气相色谱仪分析。翅片负载催化剂的性能根据CH4转化率，H2选择性以及 CO选择性测量。
CH4转化率(％)＝(VCH4，进-VCH4，出)/(VCH4，进)×100
H2选择性(％)＝(VH2，出，实际值)/(VH2，出，理论值)×100
CO选择性(％)＝(VCO，出)/(VCO，出+VCO2，出)×100
该催化剂在使用前于400℃用H2还原30min。进料气体组成是29.6％ 的CH4和70.4％的空气(CH4/O2＝2/1)，总流量为2030ml/min(标准条件)。 接触时间是3.3ms。接触时间的定义是无翅片的小片流动体积和体积流量 之比。下表概括了在157小时操作后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在850℃) 85％ H2选择性(在850℃) 92％ CO选择性(在850℃) 95％ 压降 5.6psi(磅/平方英寸)
实施例3
在POX反应过程中使用的另一可选的翅片提供了减少压降的优点。 流动面积通过减少翅片的数目得到了增加。有5个翅片从翅片负载物上 向上突出。该翅片具有一梯形的横截面形状，如图6所示。翅片的厚度 以及翅片的梯形形状一起提供了翅片基部的机械刚性。翅片被支撑在矩 形支撑物或基部上以提升翅片的传热性能。翅片由FeCrAlY制备。翅片 用线割法(wire EDM)制造。下表总结了翅片的尺寸：
尺寸(英寸) 翅片厚度 在基部 在顶端 0.020” 0.010”
翅片间隔 在基部 在顶端 0.012” 0.022” 翅片高度 0.033” 矩形基部高度 0.020” 总体宽度 0.180” 总体高度 0.053” 总体长度 1.500”
通过混合7.2gγ-Al2O3粉末、12g去离子水和42g直径为3mm的Al2O3 珠子制备Al2O3浆液。其pH值用硝酸调至3.5-4。该Al2O3是被研磨成小 于150微米的粉末的酸性γ-Al2O3。用球磨机球磨混合物8小时。在4.2g 浆液中通过不断搅拌加入0.8g 25wt.％的Al2O3溶胶(萨索尔14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h 并冷却至室温后，在20wt.％HNO3溶液中超声清洗翅片20min。然后用去 离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下干燥1小时后，翅片在空气 中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃，并在空气中在1000℃下煅 烧8小时。Al2O3浆液通过浸渍涂覆到翅片上。过量的浆液通过在涂覆表 面上喷射空气除去。在120℃干燥翅片1小时，然后在450℃煅烧4小时， 加热和冷却速率为3.5℃/min。通过浸渍法将7.5wt.％La(NO3)3溶液浸渍 到翅片上。在空气中120℃干燥翅片1小时，然后在1000℃煅烧4小时， 其加热和冷却速率为3.5℃/min。浆液填充量是6.0mg每翅片。将10wt.％ Rh(NO3)3溶液滴到翅片上，过量的溶液用压缩空气吹去。所得的翅片负载 催化剂在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1h。Rh的装载量 是1.0mg每翅片。
在1个大气压下，在如实施例2所述的小片中测试翅片负载催化剂 的将甲烷转化成合成气的部分氧化反应。将该小片置于一个炉子中。炉 子的温度升高至保持小片的中长度的外表面温度为805℃。物料流在炉子 入口的温度是室温。进料流进入小片之前被预热。管道从炉子入口至小 片的长度是10英尺。产物流的出口压力是大气压力。小片中的压降是入 口和出口压力之差。产物的组成用双柱气相色谱仪分析。翅片的性能依 据CH4转化率、H2选择性和CO选择性测量。下表概括了在115小时操作 后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在850℃) 87％ H2选择性(在850℃) 93％ CO选择性(在850℃) 93％ 压降 2.8psi
实施例4
用锯切法(saw-cut method)制备FeCrAlY翅片，并在一小片中测试 其催化剂性能。下表总结了该翅片的尺寸：
尺寸(英寸) 翅片厚度 在基部 在顶端 0.010” 0.005” 翅片间隔 在基部 在顶端 0.017” 0.022” 翅片高度 0.033” 矩形基部高度 0.020” 总体宽度 0.180” 总体高度 0.053” 总体长度 1.500”
通过混合7.2g伽马Al2O3粉末、12g去离子水和42g直径为3mm的 Al2O3珠子制备Al2O3浆液。其pH值用硝酸调至3.5-4。该Al2O3是被研磨 成小于150微米的粉末的酸性伽马Al2O3。用球磨机球磨混合物8小时。 在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g 25wt.％的Al2O3溶胶(萨索尔 14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h 并冷却至室温后，该翅片在20wt.％HNO3溶液中超声清洗20min。然后用 去离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下干燥1小时后，翅片在空 气中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃，并在空气中在1000℃下 煅烧8小时。该Al2O3浆液通过浸渍洗涂到翅片上。过量的浆液通过在涂 覆表面上喷射空气除去。该翅片在120℃干燥1小时，然后在450℃煅烧 4小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。通过浸渍法将7.5wt.％La(NO3)3 溶液浸渍到浆液涂覆的翅片上。翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在 1000℃煅烧4小时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。浆液填充量是 18.7mg每翅片。将10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到翅片上，过量的溶液用压缩 空气吹去。所得的翅片负载催化剂在空气中120℃干燥1小时，然后在 1000℃煅烧4h。Rh的装载量是3.2mg每翅片。
在1个大气压下，在如实施例2所述的小片中测试翅片负载催化剂 的甲烷的部分氧化反应。将该小片置于一个炉子中。该催化剂在使用前 于400℃用H2还原30min。进料气体组成是29.6％的CH4和70.4％的空气 (CH4/O2＝2/1)，总流量为2372ml/min(标准条件)。接触时间是3.3ms。 炉子的温度调整至保持小片的中长度的外表面温度为850℃。物料流在炉 子入口的温度是室温。进料流进入小片之前被预热。管道从炉子入口至 小片的长度是10英尺。产物流的出口压力是大气压力。小片中的压降用 卡布许里克差压表测量。产物的组成用双柱气相色谱仪分析。翅片的性 能依据CH4转化率、H2选择性和CO选择性测量。下表概括了在400小时 操作后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms
CH4转化率(在850℃) 75％ H2选择性(在850℃) 72％ CO选择性(在850℃) 91％ 压降 2.1psi
实施例5
一个和实施例4的翅片尺寸相同的翅片在异丙醇中用超声清洗 20min。在100℃下干燥1h并冷却至室温后，该翅片在20wt.％HNO3溶液 中超声清洗20min。然后用去离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下 干燥1小时后，翅片在空气中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃， 并在空气中在1000℃下煅烧8小时。煅烧后产生致密Al2O3层。该Al2O3 层起一防护片的作用，也提高了涂层和该翅片之间的粘附力。Al2O3溶胶 (25wt.％，萨索尔14N4-25)通过浸渍涂到翅片上。过量的溶胶通过在涂 覆表面上喷射空气除去。该翅片在120℃干燥1小时，然后在450℃煅烧 4小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。重复溶胶涂覆过程3至4次直至 达到17mg Al2O3每翅片的填充量。通过浸渍法将7.5wt.％La(NO3)3溶液浸 渍到翅片上。翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧4小 时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。将10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到翅片 上，多余的溶液用压缩空气吹去。所得的翅片负载催化剂在空气中120 ℃干燥1小时，然后在500℃煅烧1h。重复Rh(NO3)3溶液涂覆一次，且 该翅片在1000℃煅烧4小时。Rh的装载量是5.2mg每翅片。
在1个大气压下，用如实施例2所述的小片测试所得的翅片负载催 化剂的将甲烷转化成合成气的部分氧化反应。将该小片置于一个炉子中。 该催化剂在使用前于450℃用H2还原30min。进料气体组成是29.6％的CH4 和70.4％的空气(CH4/O2＝2/1)，总流量为2361ml/min(标准条件)。接 触时间是3.3ms。炉子的温度调整至保持小片的中长度的外表面温度为 800℃。物料流在炉子入口的温度是室温。进料流进入小片之前被预热。 管道从炉子入口至小片的长度是10英尺。产物流的出口压力是大气压力。 小片中的压降用卡布许里克差压表测量。产物的成分用双柱气相色谱仪 分析。翅片负载催化剂的性能根据CH4转化率，H2选择性以及CO选择性 测量。下表显示了在600小时恒稳操作后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 溶胶载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在800℃) 71％ H2选择性(在800℃) 70％ CO选择性(在800℃) 87％ 压降 1.4psi
上述翅片负载催化剂用一种正丁烷和CH4燃料的混合物测试。进料气 体含有7.2％的CH4，7.2％的正丁烷以及85.6％的空气，总流量为2091ml/min (标准条件)。出口气体组成用四柱气相色谱仪分析。炉子的温度调整至 保持小片的中长度的外表面温度为800℃。翅片负载催化剂在300小时操 作后的性能归纳如下。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 7.5％CH4，7.5％正丁烷，85％ 空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在800℃) 60％ 正丁烷转化率(在800℃) 76％ H2选择性(在800℃) 77％ CO选择性(在800℃) 82％ 压降 1.0psi
实施例6
制备具有图1所示的设计的吸附分离单元。在翅片壁上涂覆选择性 吸附介质吸附剂。翅片由铝制成，高1mm，宽0.5mm，且间隔0.5mm分开。 翅片的基部是0.5mm。翅片被插入到高1.05mm宽5cm的工艺微通道中。 在微通道中有50片翅片。工艺微通道和一热交换通道相邻。用水作为热 交换流体来冷却吸附的单元以及加热解吸附的单元。在解吸附时，在热 交换通道中穿流通过65℃水流。在吸附时，在热交换通道中穿流通过15 ℃水流。
将甲烷和氮气的混合物物料给料至吸附单元。甲烷比氮气更优先地 吸附在吸附介质上。吸附发生在35℃。当吸附介质满负荷时，通过在热 交换通道中穿流通过暖流体把吸附介质的温度升高到55℃。甲烷解吸到 甲烷或天然气的解吸附流体中。在解吸甲烷后，吸附介质的温度被冷却 至35℃，以用于第二吸附周期。加热和冷却之间的周期时间是0.1秒。
虽然本发明通过涉及不同的详细的实施方案得到解释，应该知道， 在阅读本说明书后，其不同的修改对本领域技术人员是显而易见的。因 此，应该理解，在此公开的本发明意在涵盖落在所附权利要求范围内的 此类修改。
在提到一个通道的位置相对于另一个通道的位置时，术语“相邻” 是指直接相邻，这样，一个壁将两个通道分开。该壁的厚度可变化。但 是，“相邻”的通道不被会干扰所述通道之间的热传递的居间的含流体 的通道所分开。
术语“流体”是指气体、液体或者是含有分散固体的气体或液体， 或者是它们的混合物。该流体可以是含有分散液滴的气体形态。
术语“接触时间”是指微通道反应器内反应区的体积除以反应物组 合物在温度为0℃和压力为一个大气压时的体积供给流量。
术语“驻留时间”是指被流过一个空间的流体所占的空间(例如， 微通道反应器内的反应区)的内部体积除以在所使用的温度和压力下流 过该空间的流体的平均体积流量。
术语“反应区”是指微通道反应器内的空间，在其中，反应物与催 化剂相接触。
术语“烃反应物的转化”是指在反应物组合物和产物之间的烃反应 物摩尔数变化除以反应物组合物中的烃摩尔数。
术语“对于想得到的产物的选择性”是指产生的所需的氧化物或腈 的摩尔数除以加上产生的其它产物(即CO、CO2)的摩尔数的、产生的 所需的氧化物或腈的摩尔数，其中各摩尔数乘以其各自的化学计量系 数。例如，对于乙烯氧化成环氧乙烷，二氧化碳是不想要的副产物，产 生一摩尔的环氧乙烷和一摩尔的二氧化碳对应的选择性为100×(1/(1 +1/2))＝67％。
本发明将首先针对图1进行描述，参见图1，本发明的装置100包 括工艺微通道110、由位于工艺微通道110内的许多相间隔的平行翅片 140组成的翅片组141以及与工艺微通道相邻的热交换器170。
工艺微通道110的高度如图1中由点112延伸至点114的垂直线所 示，其宽度如由点114延伸至点116的水平线所示，其长度由点114延 伸至点118的线段表示。工艺微通道110具有基部壁120和上壁122， 该上壁平行于相对的基部壁120。工艺微通道还具有连接壁120和122 的垂直壁124和126。
翅片140设置在翅片支撑物142之上，该载体覆盖在基部壁120之 上，翅片140自翅片支撑物142伸入到工艺微通道110的内部，翅片140 延伸至上壁122的内表面并与其相接触。翅片140之间的翅片通道144 为流体提供了通道，以使流体平行于长度方向流过工艺微通道110，如 方向箭头146所示。每个翅片140在其每个侧面上具有外表面148，该 外表面为催化剂或吸附介质提供了负载基板(support base)。对于催化 反应，一种或一种以上的流体反应物沿着方向箭头146所示的方向流过 通道144，与负载在翅片140的外表面148上的催化剂相接触，并且进 行反应生成产物。对于流体分离过程，流体沿着方向箭头146所示的方 向流经翅片通道144，与负载在翅片140的外表面148上的催化剂相接 触，流体中的一种或一种以上的成分被吸附介质所吸附。
每个翅片140的高度可在约0.02mm至工艺微通道110的高度之间。 在一个实施方案中，其高度在约0.02mm至约10mm之间；在一个实施方 案中，其高度在约0.02mm至约5mm之间；在又一个实施方案中，其高 度在约0.02mm至约2mm之间。每个翅片的宽度可在约0.02mm至约5mm 之间。在一个实施方案中，其宽度在约0.02mm至约2mm之间；在另一 个实施方案中，其宽度在约0.02mm至约1mm之间。每个翅片的长度可 以是达到工艺微通道110长度的任何长度，在一个实施方案中，其长度 在约5mm至约500cm之间；在又一个实施方案中，其长度在约1cm至约 250cm之间；在又一个实施方案中，其长度在约1cm至约100cm之间； 在又一个实施方案中，其长度在约2cm至约25cm之间。各个翅片140 之间的间隙可以是任何值，并可以在约0.02mm至约5mm之间。在一个 实施方案中，其间隙在约0.02mm至约2mm之间；在又一个实施方案中， 其间隙在约0.02mm至约1mm之间。工艺微通道110的翅片140的数量 可在每厘米工艺微通道110的宽度约1至约50个翅片，在一个实施方 案中，其数量在每厘米约1至约30个翅片；在另一个实施方案中，其 数量在每厘米约1至约10个翅片；在又一个实施方案中，其数量在每 厘米约1至约5个翅片；在又一个实施方案中，其数量在每厘米约1至 约3个翅片。每个翅片的横截面可以如图1至5中所示呈长方形或正方 形，或者如图6和12所示呈梯形。当沿每个翅片140的长度方向观察 时，它可以呈笔直的、锥形的或者蛇形的构型。翅片140可以由提供足 够强度、尺寸稳定性和热传导特性以允许工艺微通道110所期望的操作 的任何材料制成。这些材料包括钢(即不锈钢、碳钢及其类似物)、蒙 乃尔合金(monel)、英科乃尔合金(inconel)、铝、钛、镍、铂、铑、 铜、铬、黄铜、任何前述金属的合金、聚合物(即热固性树脂)、陶瓷、 玻璃、包含一种或一种以上的聚合物(即热固性树脂)和玻璃纤维的复 合材料、石英、硅或者其中的两种或更多种的组合。翅片140可以由形 成氧化铝的材料，例如FeCrAlY制成，这样，使得当氧化时表面形成氧 化铝。该氧化铝表皮尤其适合接受催化剂或吸附剂材料的负载层。
热交换器170与工艺微通道110相邻，并且，该热交换器包括热交 换通道172和174，该热交换通道172和174适合于热交换流体沿长度 方向流过所述通道，该方向平行于流过工艺微通道110的流体的流向， 如方向箭头176所示。当热交换流体以图1所示的方向流动时，该流体 流动的方向与流过工艺微通道110的流体同向。或者，所述的热交换流 体可以与图1所示的方向相反的方向流过热交换通道172和174，因而 与流过工艺微通道110的流体方向相反的方向流动。或者，热交换通道 172和174可被定位成与工艺微通道110成90°角，以使热交换流体的 流动方向相对于流过工艺微通道110的流体流动方向成十字交叉。
尽管只有单个工艺微通道110和两个热交换通道172和174在图1 中被举例说明用于装置100，实际上，可用于装置100的工艺微通道110、 热交换通道172和174的数目没有上限，例如，装置100可包含2个、 4个、6个、8个、10个、20个、50个、一百个、数百个、一千个、数 千个、一万个、数万个、十万个、数十万个、数百万个等工艺微通道和 热交换通道。
工艺微通道110可平行布置，例如，以平面型微通道列的形式排列。 所述的微通道可以是如美国专利6,200,536B1中公开的微组成片状状结 构变型(microcomponent sheet architecture variety)，该专利通过 引用并入本申请。每个工艺微通道110可具有高达约10mm的高度，在 一个实施方案中，其高度为约0.05mm至约10mm；在另一个实施方案中， 其高度为约0.05mm至约5mm；在又一个实施方案中，其高度为约0.05 mm至约2mm；在又一个实施方案中，其高度为约0.05mm至约1.5mm； 在又一个实施方案中，其高度为约0.05mm至约1mm；在又一个实施方 案中，其高度为约0.05mm至约0.5mm。工艺微通道的宽度可以是任何 值，例如，其宽度可以在约0.1cm至约100cm的范围内。在一个实施方 案中，其宽度在约0.1cm至约75cm的范围内；在另一个实施方案中， 其宽度在约0.1cm至约50cm的范围内；在又一个实施方案中，其宽度 在约0.2cm至约25cm的范围内。每个工艺微通道110的长度可以是任 何值，例如，其长度可以在约1cm至约500cm的范围内。在一个实施方 案中，其长度在约1cm至约250cm的范围内；在另一个实施方案中，其 长度在约1cm至约100cm的范围内；在又一个实施方案中，其长度在约 1cm至约50cm的范围内；在又一个实施方案中，其长度在约2cm至约 25cm的范围内。
工艺微通道110可以由提供足够强度、尺寸稳定性和热传递特性以 允许进行所期望的工艺操作的任何材料制成，这些材料包括钢(即不锈 钢、碳钢以及类似物)、蒙乃尔合金、英科乃尔合金、铝、钛、镍、铂、 铑、铜、铬、黄铜、任何前述金属的合金、聚合物(例如，热固性树脂)、 陶瓷、玻璃、包含一种或一种以上的聚合物(例如，热固性树脂)和玻 璃纤维的复合材料、石英、硅或者其中的两种或更多种的组合。
每个热交换通道172和174可至少具有一个高度或宽度达到约10mm 的内部尺寸。在一个实施方案中，所述的内部尺寸的高度或宽度为约 0.05mm至约10mm；在另一个实施方案中，所述的内部尺寸的高度或宽 度为约0.05mm至5mm；在又一个实施方案中，所述的内部尺寸的高度 或宽度约为0.05mm至2mm；在又一个实施方案中，所述的内部尺寸的 高度或宽度在约0.5mm至约1mm。其它内部尺寸可在约1mm至约1m的 范围内，在一个实施方案中，所述的其它内部尺寸在约1mm至约0.5m 的范围内；在另一个实施方案中，所述的其它内部尺寸在约2mm至约 10cm的范围内。热交换通道的长度可在约1mm至约1m的范围内，在一 个实施方案中，该长度在约1cm至约0.5m的范围内.每个工艺微通道110 与其紧邻的热交换通道172或174之间的间隔可在约0.05mm至约5mm 的范围内，在一个实施方案中，该间隔在约0.02mm至约2mm的范围。
热交换器170可以由提供足够强度、尺寸稳定性和热传导特性的任 何材料制成，以便能进行所期望的操作。这些材料包括钢(例如，不锈 钢、碳钢以及类似物)、蒙乃尔合金、英科乃尔合金、铝、钛、镍、铂、 铑、铜、铬、黄铜、任何前述金属的合金、聚合物(例如，热固性树脂)、 陶瓷、玻璃、包含一种或一种以上的聚合物(例如，热固性树脂)和玻 璃纤维的复合材料、石英、硅或者其中的两种或更多种的组合。
装置100具有合适的总管(header)、尾管(footer)、阀、管道线和 控制装置等，以控制工艺流体和热交换流体的输入和输出，这些装置没 有在图1中示出，但是本领域技术人员能够提供这些装置。
除了翅片140被部分翅片(partial fin)140a替换以外，图2所 示的装置110A与图1所示的装置100相同，图2中的部分翅片140a从 翅片支撑物142向上壁122只延伸了部分路径，部分翅片140a的高度 可约为翅片支撑物142与上壁122之间的间距的1％至99％，在一个实施 方案中，约为10％至90％；在另一个实施方案中，约为20％至80％。采用 部分翅片140a的优点是在工艺微通道110内提供的额外空间145有利 于采用氧或者空气的分段添加，该添加对某些反应如燃烧或选择性氧化 反应是有用的。部分翅片140a允许氧气或空气进入翅片通道144。部分 翅片140a的另一个优点是降低流过工艺微通道110的流体的压降，该 压降是由为流体流动提供额外的空间145所导致。
翅片140可具有多孔材料覆盖在部分或所有外表面148上，如图3 所示，其中，多孔材料147覆盖在翅片140的外表面148上。该多孔材 料可以是以涂层、纤维、毛毡、泡沫或其它非致密基质的形式。孔尺寸 可在约3埃至约100微米的范围内，催化剂或者吸附介质可沉积在多孔 材料之上。
翅片140的外表面148可包括表面增强物，例如图4中所示的自外 表面148伸出的无序纤维147a，或者如图5中所示的自外表面148伸出 的突起物147b。纤维147a和突起物147b的长度可在约0.001至约0.3mm 的范围内，在一个实施方案中，其长度在约0.01至约0.1mm的范围内。 催化剂或者吸附介质可沉积在纤维147a或突起物147b之上。
如图7-10所示，翅片140可以沿流动方向连续或不连续。不连续 翅片的优点包括能够提供热阻以降低轴向传导的作用，其另一个优点是 能够将一个翅片结构并入工艺微通道，该微通道沿着通道的长度采用分 段氧化剂添加。没有翅片的区段151(如图7和8)可设置在紧邻氧化 剂入口端、喷射器、喷嘴或其它用于将氧化剂引入工艺微通道的装置。 所述的氧化剂就能在进入下一个翅片区之前充分或部分地与流过工艺 微通道的流体进行混合。
在一个实施方案中，翅片140可以不都具有相同长度，如图9所示。 有些翅片140可延伸至工艺微通道110的整个长度，而其它翅片可只延 伸到部分路径。该实施方案对于在反应区前方具有最大质量传递阻力的 一些反应是有利的。更小的翅片间隔可减小反应物到达催化剂或吸附剂 壁的运输距离，该质量运输时间大致等于扩散距离的平方除以质量扩散 率。当反应或吸附进行时，沿着该区域长度方向，可不必要继续这种密 间隔的翅片布置，这具有降低总的压降的优点。另一个优点是增强的热 传递，所述增强的热传递出现在翅片间隔更小的区域。在靠近反应物浓 度最高的反应区的前方传递多得多的热量可以是有益的。附加的翅片增 加了额外的热传递表面积，加上被降低的水力直径进一步增加局部对流 热交换系数。
可选的实施方案是使用具有不同高度的翅片140，如图10所示。有 些翅片可相对较高，而其它翅片相对较短，相对较高的翅片可与上壁122 相接触，而其它翅片仅填充了工艺微通道110的间隙或高度的一部分(例 如，约10％至约90％)。这种构造的一个优点是通过减小流动阻塞而降低 总的压降，只需要对用于热量或者质量传输的表面积适度增加的一些工 艺可采用该构造。
相对于翅片140插入工艺微通道100内部，翅片140也可在基部壁 120上直接形成。这些翅片可采用开槽锯、光化学机械加工或电气化学 机械加工而形成。如图11所示，工艺的流动路径可包括一个通道，该 通道在一个区段不发生阻塞，然后进入包含翅片的反应区或吸附区。所 述的翅片可从基部壁120的一端延伸到另一端，或者，可选地在翅片较 短时就停止在基部壁120内延伸。
在外部形成后置于工艺微通道110内部的翅片可制成足够宽以使每 次可填充一个微通道，或者，也可以制成更宽一些以同时填充多个微通 道。图12显示了跨越四个工艺微通道的翅片组的示例。这些翅片可在 层状薄片堆叠过程中插入，并随后扩散结合形成整体部件。这些翅片的 优点是在结合过程中为微通道壁提供了额外的支撑，所述的翅片可选地 在扩散结合之后插入，并且在工艺微通道的操作之后移走进行更新或替 换。
催化剂或吸附介质可通过常规技术沉积在外表面148、覆盖该外表 面的多孔材料或者表面增强物之上，如图4和5所示。这些常规技术包 括将催化剂或吸附介质涂覆(washcoating)在翅片表面、使催化剂或 吸附介质从溶液中生长到翅片表面或者采用气相沉积(vapor deposition)将催化剂或吸附介质沉积在翅片表面上。气相沉积可以是 化学气相沉积或者物理气相沉积。
催化剂可包括适用于涉及使用流体反应物的化学反应器的任何催 化剂。该催化剂可以是在进行下列化学反应中的一个或更多个反应中有 用的催化剂：乙酰化加成、烷基化、脱烷基化、加氢脱烷基化、还原性 烷基化、胺化、氨合成、芳构化、芳基化、自热重整、羰基化、脱羰基 化、还原性羰基化、羧基化、还原性羧基化、还原性偶合、缩合、裂化、 加氢裂化、环化、环齐聚、氨氧化、水-汽转换、脱卤化、二聚、环氧 化、酯化、费-托反应、卤化、加氢卤化、同系化、水合、脱水、加氢、 脱氢、加氢羧基化、加氢甲酰化、氢解、加氢金属化、硅氢加成 (hydrosilation)、水解、加氢处理、异构化、甲基化、脱甲基化、易 位、甲醇合成、硝基化、氧化、部分氧化、聚合、还原、重整、逆水汽 变换、磺化、调聚、酯交换、三聚、萨巴蒂埃(Sabatier)反应、二氧 化碳重整、选择性氧化(preferential oxidation)、或选择性甲烷化 反应。
该催化剂可包括选自Mo、W、V、Nb、Sb、Sn、Pt、Pd、Cs、Zr、Cr、 Mg、Mn、Ni、Co、Ce，或其中的两种或更多种的混合物中的金属、金属 氧化物或金属的混合金属氧化物。这些催化剂也可包括碱金属、碱土金 属、其它过渡金属、稀土金属或者镧系元素中的一种或更多种，另外还 存在诸如P和Bi之类的元素。
催化剂可包括一种或更多种：催化剂金属，包括贵金属、过渡金属 以及它们的组合；金属氧化物，包括碱金属、碱土金属、硼、镓、锗、 砷、硒，碲、铊、铅、铋、钋、镁、钛、钒、铬、锰、铁、镍、钴、铜、 锌、锆、钼、锡、钙、铝、硅、镧系元素的氧化物及其组合；复合材料； 沸石；氮化物；碳化物；硫化物；卤化物；磷酸盐；以及上述任意物质 的组合。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12WaBibFecCodNieSifKgSnhOx
其中，a在0至5之间，b在0.5至5之间，c在0.1至10之间，d 在0.5至10之间，e在0至10之间，f在0至15之间，g在0至1之间， h在0至2之间，x是与其它元素结合的氧的数量，x取决于这些元素的 氧化状态。在美国专利6,251,821B1中描述了这些催化剂对于丙烯通过 氧化制备丙烯醛是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaBibPcX1 dX2 eX3 fX4 gOh
其中X1为V、Nb、Ta、Cr、W、Ga、Ce和/或La，X2为Li、Na、K、 Rb、Cs、Cu、Ag、Au、Pd和/或Pt，X3为Sn、Pb、Sb、Bi、Te、Fe、Co 和/或Ni，X4为Si、Al、Ti和/或Zr。a为0至2，d为0至2，a和d之 和必须至少为0.1；b为0至1.5，c为0至10，b和c之和必须至少为 0.1；e为0至0.5，f为0至0.5，g为0至20，h是一个不为零的数， 该数由除氧外的元素的化和价和出现频率决定。在美国专利6,252,122B1 中公开了该催化剂对于将丙烷转化成丙烯醛是有用的，该专利通过引用 并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12BiaFebX1 cX2 dX3 eX4 fOn
其中X1为Ni和/或Co，X2为Ti、一种碱金属和/或碱土金属，X3为 Zn、P、As、B、Sb、Sn、Ce、Pb和/或W，X4为Si、Al、Ti和/或Zr。a 为0.5至5；b为0.01至5，在一个实施方案中，b为2至4；c为0至 10，在一个实施方案中，c为3至10；d为0至2，在一个实施方案中， d为0.02至2；e为0至8，在一个实施方案中，e为0至5；f为0至10； n是一个由氧以外的元素的化和价和出现频率决定的数。在美国专利 6,395,936B1中公开了这些催化剂对于将丙烷氧化成丙烯醛是有用的，该 专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
[BinAaOx][(100-z)％EeFefNigMomOy+z％SiO2]
其中，A是选自B、P和Mo中的至少一种元素；E是至少一种原子价 为2的元素；当m为1时，n为0.001至3，a为0至3，e为0至3，f 为0.01至5，g为0.1至5，z为0至90；x和y分别是满足芯和壳(core and shell)催化相中的氧对其它元素的化和价要求的数。在美国专利 6,410,800B1中公开了该催化剂对于将丙烷氧化成丙烯醛是有用的，该专 利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12Co3.5Bi1.1Fe0.8W0.5Si1.4K0.05Ox 或
Ni2.1Co3.5Fe2.6P0.43Bi1.0Mo9.3Mn0.15Cr0.09Ba0.07Zr0.0012K0.07Ox
其中，x是与其它元素结合的氧的数量，取决于这些元素的氧化状态。 在美国专利6,437,193B1中公开了这些催化剂对于将丙烷氧化成丙烯醛 是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
BibMocVvAaDdEeOx
其中，A是K、Na、Li、Cs和Ti中的一种或更多种；D是Fe、Ni、 Co、Zn、Ce或La中的一种或更多种；E是W、Nb、Sb、Sn、P、Cu、Pb、 B、Mg、Ca或Sr中的一种或更多种；a、d和e均为0至10；b为0.1至 10；c为0.1至20；v为0.1至10；c∶b为2∶1至30∶1，v∶b为1.5至 8∶1；x是由上式中氧以外的元素的频次和化和价决定。在美国专利 5,198,580中公开了该催化剂对于将丙烷氧化成丙烯酸、丙烯、丙烯醛和 乙酸是有用的。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
M1 aMo1-bM2 bOx
其中，M1是Co、Ni、Mg、Zn、Mn和/或Cu；M2是W、V、Te、Nb、P、 Cr、Fe、Sb、Ce、Sn和/或La；a为0.5至1.5，b为0至0.5；x是由氧 以外的元素的频次和化和价决定的数。在美国专利6,388,129B1、 6,423,875B1和6,426,433B1中公开了这些催化剂对于将丙烷转化成丙 烯醛和/或丙烯酸是有用的，这些专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
AaBbCcCadFeeBifMo12Ox
其中，A是Li、Na、K、Rb或Cs中的一种或更多种；B是Mg、Sr、 Mn、Ni、Co或Zn中的一种或更多种；C是Ce、Cr、Al、Sb、P、Ge、Sn、 Cu、V或W中的一种或更多种；a为0.01至1.0；b和e为1.0至10；c 为0至5.0，在一个实施方案中，c是0.05至5.0，在另一个实施方案中， c是0.05至4.0；d和f是0.05至5.0；x是所存在其它元素的化和价要 求所决定的数。在美国专利6,268,529B1中公开了这些催化剂对于将丙 烷转化成丙烯醛和丙烯酸是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12V4.8Sr0.5W2.4Cu2.2Ox
其中，x是与其它元素结合的氧的数量，取决于这些元素的氧化态。 在美国专利6,310,240B1中公开了该催化剂对于将丙烯醛转化成丙烯酸 是有用的，该专利通过引用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaWbVcAdBeOx
其中，A是Fe、Cu、Bi、Cr、Sn、Sb、Ni、Co、Mn、Ce或Tl；B是 一种碱金属或碱土金属；a、b、c、d、e和x分别表示Mo、W、V、A、B 和O的原子比；当a为10时，b为1.5至4，c为1至5，d为1至4，e 为0至2，x根据其它元素的氧化态而定。在美国专利6,384,275B2中公 开了该催化剂对于将丙烯醛转化为丙烯酸是有用的，该专利通过引用并 入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
Mo12VaX1 bX2 cX3 dX4 eX5 fX6 gOn
其中X1为W、Nb、Ta、Cr和/或Ce，X2为Cu、Ni、Co、Fe、Mn和/ 或Zn，X3为Sb和/或Bi，X4为一种或更多种碱金属，X5为一种或更多种 碱土金属，X6为Si、Al、Ti和/或Zr。a为1至6；b为0.2至4，c为 0.5至18，d为0至40，e为0至2，f为0至4，g为0至40，n是由 氧以外的元素的化和价和频次决定的一个数。在美国专利6,403,829B2 中公开了该催化剂对于将丙烯醛转化成丙烯酸是有用的，该专利通过引 用并入本申请。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaVbWcCudXeOg
其中，X是选自由Mg、Ca、Sr和Ba组成的元素组中的至少一种元素， a、b、c、d、e和g分别表示Mo、V、W、Cu、X和O的原子比，因此，当 a为12时，b在2至14的范围内，c在0至12的范围内，d在0至6而 排除0的范围内(例如，0.1至6)，e在0至3的范围内，而g是一个由 各元素的氧化态决定的数字。美国专利6,409,331B1中公开了该催化剂， 它对于将丙烯醛转化成丙烯酸是有用的。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaWbBicFedAeBfCgDhEjOx
其中：A是Ni或Co；B是Na、K、Rb、Cs或Tl；C是一种碱土金属； D是P、Te、Sb、Sn、Ce、Pb、Nb、Mn、As、B或Zn；而E是Si、Al、Ti 或Zr。当a是12时，b是从0至10，c是从0至10，d是从0至10，e 是从2至15，f是从0至10，g是从0至10，h是从0至4，1是从0至 30，而x由每一种元素的氧化度决定。美国专利6,383,973B1中公开了 该催化剂，它对于将丙烯、异丁烯，叔丁醇或甲基-叔丁基醚转化成(甲 基)丙烯醛或(甲基)丙烯酸是有用的。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括由下式表示的氧化催化剂：
MoaPbAcBaCeDfOx
其中，A是至少一种选自由As、Sb、Ge、B i、Zr、Ce和Se组成的组 的元素；B是至少一种选自由Cu、Fe、Cr、Ni、Mn、Co、Sn、Ag、Zn、 Pd、Rh和Te组成的组的元素；C是至少一种选自由V、W和Nb组成的组 的元素；D是至少一种选自由碱金属、碱土金属和Tl组成的组的元素； 而a、b、c、d、e、f和x分别表示Mo、P、A、B、C、D和O的原子比， 因此，当a为12时，b是一个在0.5至4的范围内的数字，在一个实施 方案中为0.5至3；c是在0至5的范围内，在一个实施方案中为0.01 至3；d在0至3的范围内，在一个实施方案中为0.01至2；e在0至4 的范围内，在一个实施方案中为0.01至3；f在0.01至4的范围内，在 一个实施方案中为0.01至3；而x是一个由各元素的氧化态决定的数字。 美国专利5,618,974中公开了该催化剂，它对于将甲基丙烯醛、异丁醛 或异丁酸转化成甲基丙烯酸是有用的。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括含有Mo、V、Nb和Pd或Mo、La、V和Pd的氧化催化 剂。具体的实施例包括
MoV0.396Nb0.128Pd0.000384
和
MoV0.628Pd0.000288La0.00001
美国专利6,274,764B1中公开了这些催化剂，该专利作为参考文件 列入此处。
作为参考文件列入此处的美国专利6,143,921中公开了三种氧化催 化剂，其任一种均可用于本发明方法。第一种催化剂由化学式MoaVbNbcPdd 表示，其中：a是1至5；b是0至0.5；c是0.01至0.5；而d是0至 0.2。a、b、c和d的数值分别表示催化剂中元素Mo、V、Nb和Pd的相对 克原子比例。这些元素以不同的氧化物的形式与氧结合而存在。第二种 催化剂是一种含元素Mo、V、Pd、Nb、La和X的组合物，其中X是氧化 物形式的Al、Ga、Si或Ge，其比例为MoaVbLacPddNbeXf，其中：a是1；b 是0.01至9；c是＞0至0.2；d是＞0至0.2；e是＞0至0.2；而f是＞0 至0.3。第三种催化剂由一种如化学式MoaVbNbcXd所表示的煅烧组合物形 成，其中X是至少一种选自由P、B、Hf、Te和As组成的组的助催化剂 元素；a为大约1至5；b是1；c为大约0.01至0.5；而d为大约0至 0.1。
催化剂可以是一种氧化催化剂，包括根据如下化学式的与氧结合的 的元素钼、钒、铌和金：
MoaWbAucVdNbeYf
其中：Y选自由Cr、Mn、Ta、Ti、B、Al、Ga、In、Pt、Zn、Cd、Bi、 Ce、Co、Rh、I r、Cu、Ag、Fe、Ru、Os、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、 Zr、Hf、Ni、P、Pb、Sb、Si、Sn、Tl、U、Re、Te、La和Pd组成的组中 的一种或多种元素；a、b、c、d、e和f代表元素的克原子比例，使得 0＜a≤1；0≤b＜1；a+b＝1；10-5＜c≤0.02；0＜d≤2；0＜e≤1；而0＜f≤2。美国 专利6,333,444B1中公开了该催化剂，它可用于乙烷或乙烯至乙酸的氧 化反应。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可以是一种具有如化学式MoaVbNbcPdd所表示的煅烧组合物的 氧化催化剂，其中：a为1至5；b为0至0.5；c为0.01至0.5；而d 为0至0.2。美国专利6,383,977B1中公开了该催化剂，用于将乙烷转化 为乙酸。该专利作为参考文件列入此处。
作为参考文件列入此处的美国专利6,441,227B1中公开的两种氧化 催化剂在本发明方法中可分别或相互组合使用。第一种催化剂是一种如 下化学式表示的混合金属氧化物：
MoaPdbBicFedX1 eX2 fX3 gOz
其中：X1是至少一种或多种Co、Ni、V、Pt或Rh；X2是至少一种或 多种Al、Ga、Ge、Mn、Nb、Zn、Ag、P、Si或W；X3是至少一种或多种K、 Mg、Rb、Ca、Sr、Ba、Na或In；O是氧，而a是1；0＜b≤0.3；0＜c≤0.9；0＜d ≤0.9；0＜e≤0.9；0＜f≤0.9；0＜g＜0.3；而z是一个为满足化学式中其他 元素的价位所需要的数。该催化剂被描述成可用于将烯烃转化成α，β- 不饱和醛。第二种催化剂是一种由下式表示的金属氧化物：
Moa1Vb1Alc1Xd1Ye1Oz1
其中X是W或Mn或两者；Y是至少一种或多种Pd、Sb、Ca、P、Ga、 Ge、Si、Mg、Nb或K；O是氧，而a1是1；b1为0.01至0.9；0＜c1≤0.2；0＜d1 ≤0.5；0＜e1≤0.5；而z1是一个为满足化学式中其他元素的价位所需要的 数。该催化剂被描述成可用于将α，β-不饱和醛转化为α，β-不饱和羧酸。
催化剂可包括由下式表示的氨氧化反应催化剂：
AaKbCscMgdNieFefBigMo12Ox
其中A是选自Co、Mn、Cr、P、Sb、Te、Na、Ce或W的一种或多种 元素，a是从0至5的一个数；b是从0至0.4的一个数；c是从0至0.4 的一个数，条件是b和c之和为从0.1至0.4；d、e、f和g为从大约0.2 至10的数，而x是一个由其它元素的价位需要决定的数字。美国专利 5,093,299中公开了该催化剂，可用于在上述催化剂存在下通过使烯烃、 氨和氧反应而将一种烯烃(例如，丙烯或异丁烯)转化为相应的不饱和 腈(例如，丙烯腈或甲基丙烯腈)。该专利作为参考文件列入此处。
催化剂可包括由下式表示的氨氧化反应催化剂：
VSbaMmMnOx
其中a为0.5至2；M是Sn、Ti、Fe或Ga中的一种或多种；m为0.05 至3；N是W、Bi、Mo、Li、Mg、P、Zn、Mn、Te、Ge、Nb、Zr、Cr、Al、 Cu、Ce或B中的一种或多种；n为0.0至0.5；而x是由每一种其他元素 的氧化度决定的数字。该催化剂在美国专利5,258,543中公开，它可用 于将C3至C5单烯氨氧化反应成3至5个碳原子的α，β-单不饱和无环腈 (例如丙烯腈)。
作为参考文件列入此处的美国专利6,486,091B1中公开了一种如下 化学式表示的氨氧化反应催化剂
BiaMobVcSbdNbeAfBgOx
其中：A选自元素周期表中的VB族(例如，V、Nb、Ta)、VIB族(例 如，Cr、Mo、W)、VIIB族(例如，Mn、Tc、Re)或VIII族(例如，Fe、 Co、Ni)的一种或多种元素；B为选自元素周期表的IA族(例如，Li、 Na、K)或IIA族(例如，Mg、Ca)的至少一种碱性助催化剂；a为0.01 至12；b为0.01至12；c为0.01至2；d为0.01至10；e为0.01至1； f为0至2；g为0至1；而x是为满足存在的元素的价位要求所需的氧 原子数。该催化剂被描述成可用于将烯烃转化为不饱和腈。
吸附介质可以包括被配位体(ligand)络合(complex)的(例如， 螯合的)金属离子。该金属离子可以与O2络合，或与其他待分离的流体 成分络合。可使用的该金属离子包括Fe(II)、Co(II)、Cu(I)、V(II)、Mn(II)、 Mn(III)、Cr(II)、Ag(I)、Rh(I)、Rh(II)、Rh(III)、U(IV)、V(IV)、Ru(II)、 Ru(IV)、Ti(III)、Cr(IV)、Bi(III)、Ni(II)、W(V)、W(IV)、Mo(II)、Mo(III)、 Mo(IV)、Mo(V)、Mo(VI)，或其两种或更多种物质的组合。上述的罗马 数字表示的是离子的氧化态或化合价数。
可用于络合金属离子的配体包括：联吡啶基、2，6-[1-(2-咪唑-4-基 乙基亚氨基)乙基吡啶]、轮环藤宁(cyclen)、仙客木(cyclam)、席夫 (Schiff)碱配体、乙酰基丙酮酸酯或其低聚物或聚合物、羧酸酯、联 吡啶或其低聚物或聚合物、卟啉或其低聚物或聚合物、呵啉(corin)或 其低聚物或聚合物、聚酰胺、蛋白质、8-羟基喹啉或其低聚物或聚合物、 半胱乙酯(cysteinate)或其低聚物或聚合物、N-烷基烷链异羟肟酸、 二甲基乙二肟、均二乙基乙烯二氨、或其中两种或更多种物质的组合物。 配体可包括氟-碳键。配体可以为氟化的(例如，全氟化的)。
在一个实施方案中，金属离子配体的配位化合物可以为轴向配体。 这些配体适用于氧气的纯化，这是由于它们倾向于提供与氧原子间的适 合的键从而允许加合物的形成，而不会氧化金属。实施例包括：咪唑、 组氨酸氨基酸、吡啶、哌啶、4-甲基氨基吡啶、4-二甲基氨基吡啶、硝 酸盐、硫氰酸酯、卤化物，或其中两种或更多种物质的组合物。
可用的吸附介质可以是血红蛋白；血赤藓素(hemoerythyrin)；血 蓝蛋白；肌红蛋白；Co(II)(双(乙酰丙酮)乙二胺四齿席夫碱配 体)(acacen)；Co(II)(干洞)(dry cave)(N-甲基咪唑)；Fe(II)(四-(2- 新戊酰基苯基)卟啉)(H2TpivPP)B；Fe(II)(封端的卟啉)(capped porphyrin)B；Fe(2-羟基-1，10-邻菲咯啉)2 2+((ophen)2 2+)；双(乙基 半胱氨酸基(cysteinato))氧化钒(IV)；Cu(I)((1H-苯并咪唑-2-基 -甲基)磷酸酯)(bimp)；双(二甲基乙二肟基(dimethylglyoximato)) 钴(II)；双(组氨酸)钴(II)；二硝酸基(dinitrato)-双(均二乙基乙 烯二胺)(sym-diethylethylenediamine)钴(II)；二氯-双(均二乙基 乙烯二胺)钴(II)；[间-四(α，α，α，α-邻-新戊酰氨基苯基 (pivalamidophenyl))卟啉]钴(II)；[N，N，-双(亚水杨基)(salicylicylidene) 二丙烯三氨]钴(II)；[2，3，10，11，13，19-六甲基-3，10，14，18，21，25-六氮杂双环 [10.7.7]二十六-1，11，13，18，20，25-己烯-κ4N]钴(II)六氟磷酸酯；[N，N’-双 (亚水杨基)乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-甲氧基亚水杨基)乙烯二胺] 钴(II)；[N，N’-双(亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-甲 氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-异丙氧基亚水杨基) 四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(3-乙氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺] 钴(II)；[N，N’-双(5-甲氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’- 双(5-正丁氧基亚水杨基)四甲基乙烯二胺]钴(II)；[N，N’-双(亚水杨基)乙 烯二胺]钴(II)；钴(II)卟啉配合物；封装在沸石内的金属-氰化物配合 物；氰基钴酯(cyanocobaltate)；含有二铁(III，IV)、二铜(II)或二锰 核的血色素、蚯蚓血红蛋白(hemerythrin)或血蓝蛋白；N，N’-二亚水杨 基乙烯二胺钴(II)；钴-二-(3-甲氧基水杨醛特丁基胺)；[N，N’-双(亚水 杨基)n-丙基二丙烯三胺]钴(II)、1-甲基咪唑；2-甲基咪唑；4-二甲基氨 基吡啶；氰基吡啶；与衍生于乙烯-二氨-四乙酸、甲基丙烯酸甲酯和丙烯 酸丁酯的共聚物螯合的钴；双(组氨酸)钴(II)；[α-单(邻-甲基丙烯酰 氨基苯基)-α，α，α-三(邻-新戊酰氨基苯基)卟吩基(porphinato)]钴；[内 消旋-α，α，α，α-四(邻-新戊酰氨基苯基)卟吩基]-铁(II)；钴(II)内消旋- 四-苯基-卟啉；钴(II)内消旋-四(2-氯苯基)卟啉；钴(II)内消旋-四 (4-氯苯基)卟啉；钴(II)内消旋-四(4-甲氧基苯基)卟啉；钴(II) 内消旋-四(2，4-二甲氧基苯基)卟啉；钌(III)双(水杨醛)乙烯二亚 胺；钌(III)双(水杨醛)二乙烯三亚胺；钌(III)双-(吡啶醛 (picolinaldehyde))-邻-亚苯基二亚胺；钌(III)双(吡啶醛)乙烯二亚 胺、钌(III)双(吡啶醛)二乙烯三亚胺；双(二甲基乙二肟基)镍(II)； 双(二甲基乙二肟基)钴(II)；双(二甲基乙二肟基)铜(II)；二硝酸 基-双(均二乙烯二胺)钴(II)；二氰硫基-双(均二乙烯二胺)钴(II)； 二氯-双(均二乙基乙烯二胺)钴(II)；钴二-(水杨醛)-3，3’-二亚胺-二 -邻-丙基氨；N，N’-二亚水杨基乙烯二氨钴(II)；N，N’-乙烯-双(5-硝基 -亚水杨基-亚氨基(iminato))钴(II)，或其中两种或更多种物质的组合 物。
吸附介质可以是无机物。可用的无机吸附介质的实例包括：Sb2O5、 AgO、PtO、CrO2、PbO、HgO、Cu2O、MnO、Mn2O3、Bi2O4、NiO、NiO2、 Cu2O3、SnO、SnO2、WO2、WO3、W2O5、全氟化的薄膜、Pt/g-氧化铝、 Fe/g-氧化铝、Cu/g-氧化铝、Zn/g-氧化铝、Co/g-氧化铝、沸石，或其中 两种或更多种物质的组合物。这个组包括金属氰化物的低聚物和聚合物。 它们包括分子式为[Cu(I)(CN)x]n、[Fe(II)(CN)y]n或[Co(II)(CN)y]n的低聚物 或聚合物，其中x为3，y为5；而n是至少2的一个数，在一个实施方 案中在大约2至大约16,500的范围内，在另一个实施方案中约为1000 至约10,000。
吸附介质可包括银、金、铂、铜、锌、钯、镍、沸石、硅胶、碳分 子筛、聚合物材料、矾土、无机络合物(例如，金属居中的卟啉环)或 其中的两种或更多种物质的组合物。
在一个实施方案中，吸附介质包括反应性配位吸附剂，在相对高的 温度下，该吸附剂与流体成分形成可逆的化学配位，其中流体成分被吸 附介质表面吸附。在较低的温度下，化学反应是可逆的，并且配位的流 体以更纯的形式回收。
吸附介质可包括抗氧化剂。这样的实施例包括二胺、苯酚磷酸盐、 亚磷酸盐、酚醛树脂(phenolics)、双酚醛树脂、羟胺、烯烃羧酸酯、氨 基羧酸酯(例如，乙烯二胺四乙酸及其盐)、维生素E、二-叔丁基-对-甲 酚、锡盐、锡的氧化物、山梨酸酯、聚山梨醇酯，或其中两种或更多种 物质的组合物。
本发明的一个优点是使用翅片结构负载活性吸附介质使得可以相对 较快的热摆动(thermal swing)。金属翅片结构依据选择的材料其热传 导率可在大约10至大约20W/m/K或更大的范围内。铝可以超过100W/m/K。 另一方面，多孔介质诸如小球或粉末吸附剂床的热传导率通常在大约0.2 至大约2W/m/K的范围内。因此，由于与多孔介质相比，通过翅片的热传 递有所提高，使用翅片负载的吸附剂介质能提供更快的周期时间。周期 时间的差异大致与吸附介质的热传导率差成比例。与多孔吸附介质相比， 使用翅片负载的吸附介质允许每一周期的时间显著减少。该周期时间的 改善既有利于气相分离工艺，也有利于液相的吸附分离工艺。
实施例1
在采用FeCrAlY翅片负载的SMR催化剂的微通道反应器中进行一个 在热传递平面的反侧上的带完全燃烧的蒸汽/甲烷重整(SMR)过程。使 用插入在工艺微通道中的翅片上的SMR催化剂产生了令人惊讶的高热通 量(10至141W/cm2)、低SMR接触时间(10至0.7ms)和低SMR压降。
除了负载SMR催化剂的FeCrAlY翅片外，微通道反应器由不同厚度 的英科耐尔合金(inconel)617板构成，该板被堆叠、夹紧在一起，并在 周界处焊接，形成反应器，其底部(footprint)尺寸为3.63英寸×0.5 英寸(92mm×12.7mm)，高0.67英寸(17.1mm)。所有用于气体流动的通 道都采用常规的机械加工，通过电火花加工(electrode discharge machining)(EDM)形成的空气喷射孔(air jet orifice)除外。一空 气集管(header)板(6.35mm厚，底部为56.5mm×12.7mm)被焊接入一 机械加工进空气喷射孔上的燃烧板内的一个2.54mm深的袋中。在与燃烧 板相邻的表面上，机械加工有一空气集管通道，尺寸为深0.125英寸 (3.18mm)，宽0.080英寸(2.03mm)，长1.84英寸(46.9mm)。燃烧板 与一腹板(web plate)邻近堆叠，该腹板与一SMR板邻近堆叠。SMR板 被分成位于同一平面上的三个部分，在堆叠后各自焊接在一起并与腹板 焊接。沿着中心SMR部分(在17.7mm长的集管和尾管部分中心)的整个 56.7mm长度的方向上机械加工有一含翅片的微通道。每一相邻的SMR板 部分在那里都形成一横截面为2.03mm×0.66mm，长为12.6mm的集管或尾 管。在和腹板相邻的表面上对燃烧板进行机械加工，形成一1.78英寸 (4.52mm)长的燃烧通道，以给吸热的SMR反应提供热量。燃烧通道的 横截面的尺寸为0.080英寸×0.036英寸(2.03mm×0.91mm)。燃烧板还 含有集中在沿流动方向的燃烧通道中心线上的喷射孔，所述孔通过电火 花加工(EDM)法机械加工，穿过0.150英寸(3.81mm)的板厚度，从而 连接空气集管通道与燃烧通道。燃烧流与SMR气体同向流动给料。燃烧 通道在燃烧通道的进口处给入氢，而预热空气在分布于燃烧区的45.2cm 长度的上述空气喷射孔，具体地说在燃烧区域入口下游的1.0、2.7、4.8、 7.4、14.7、24.4和34.0mm处引入。在1.0mm和4.8mm轴向位置的空气 喷射孔的横截面为沿流动轴长方形，其尺寸为0.024英寸×0.012英寸 (0.61mm×0.30mm)且在两端均为整圆形(full round)。喷射孔在2.7mm 轴向位置的横截面是“指向”下游的等边三角形，它具有为0.024英寸 (0.61mm)的边长和角落上的0.05mm半径的圆。所有其他空气喷射孔的 横截面都为圆形，直径为0.012英寸(0.30mm)。氢燃料在一横截面为 2.03mm×0.41mm的23.4mm长的集管区中被带进燃烧区。在燃烧燃料集管 的末端，0.41mm尺寸以突然向喷射孔从腹板(web)扩展开的方式展开为 0.91mm。分开燃烧通道和SMR反应工艺微通道的是一0.060英寸(1.52mm) 腹板，该腹板为实心板，除了0.023英寸(0.58mm)直径的从腹板周边 至中心(也是微通道宽度的中心)钻孔0.25英寸(6.35mm)深的热电偶 (温度计)插孔外。这些位于沿反应区长度方向的六个位置的热电偶插 孔允许在SMR和燃烧通道之间的金属中进行温度测量，该测量采用 0.50mm K型非接地的英科耐尔合金铠装的热电偶，但不损害在燃烧通道 或SMR通道两者上的气密密封。气体被引入空气、氢和SMR反应物入口 中，且从通过和每一板的平面垂直方向延伸的1.75mm内径(3.18mmOD) 管从燃烧废气和SMR产物出口移除。额外的四个1.75mmID管提供了在翅 片的两端进入SMR通道的通路和在相应于燃烧区的起始和末端水平进入 燃烧通道的通路。
插入到微通道中的FeCrAlY翅片在基部长1.78英寸(4.52cm)，宽 0.100英寸或2.54mm。基部高度为0.006英寸或0.152mm。每一翅片高 0.014英寸且置于0.006英寸基部顶端。每一翅片和相邻的翅片间隔 0.010英寸，以产生0.010英寸的用于流动的间隙。从翅片支撑物上突出 有4个翅片。该翅片支撑物置于分隔SMR反应工艺微通道和相邻的热交 换燃烧反应腔室的热传递平面的顶端。
含有翅片插入物的微通道的横截面为0.080英寸(2.03mm)(在翅片 基部延伸至0.100英寸(2.54mm))×0.026英寸(0.66mm)。该微通道反 应器翅片的长度为1.78英寸(4.52cm)，其含有涂覆在FeCrAlY翅片插 入物上的SMR催化剂。翅片在焊接反应器之前被插入进微通道反应器中， 随同该翅片一起插入的还有在翅片每一端的两片英科耐尔合金片 (0.18mm×2.54mm×5.74mm)，该合金片用作把翅片固定在通道中的纵向 中心并阻止在翅片的直接上游和下游的翅片基部平面中的流动。
在将FeCrAlY翅片插进工艺微通道之前，通过超声清洗机用2-丙醇、 HNO3(20wt％)和去离子水各清洗10min。然后，在放进工艺微通道和在 周边焊接装置之前，在空气中于1000℃下以3.5℃/min的加热和冷却速 率热处理8hr。
在用催化剂涂覆FeCrAlY翅片之前，当以3.5℃每分钟加热至1000 ℃时，通过在每一入口管(空气、燃料、SMR反应物)流入200标准立方 厘米(sccm)氮气的方法，在FeCrAlY翅片上生成一氧化物层。然后停 止氮气流动，在1000℃下通过三个入口给料200sccm无烃空气达24小时。 然后以3.5℃每分钟把该装置冷却至25℃(维持连续空气流动)，并放置 在工艺微通道中。将该装置焊接在周边。
通过使用外部涂覆孔，仅在相应于SMR翅片载体(substrate)的区 域用稳定剂和活性金属涂覆SMR和燃烧反应物通道。将矾土溶胶涂层涂 到整个反应器上，包括入口和出口管道系统，以有助于防止本底活性 (background activity)。
从具有垂直朝向的通道底部用注射器将矾土溶胶(萨索尔(Sasol) 提供的14N4-25)引入燃烧和SMR通道中，以填充通道和入口/出口管道 系统。在溶胶从通道中移除之前装置被允许浸泡2分钟。以5标准升每 分钟(SLPM，标准的定义是0℃，1个大气压)给料氮气以除去过量的溶 胶。该装置用150cc/min的无烃空气流在炉子中于100℃干燥1小时，随 后以10℃/min的加热和冷却速率在450℃煅烧4小时。然后用所描述的 第一层溶胶涂层相同的方法在燃烧和SMR通道上涂第二层溶胶。用注射 泵(syringe pump)以60ml/hr的速率将重量百分比为10％的 La(NO3)3·6H2O连续地引入燃烧通道中。在该步骤和随后的步骤中，通过 在反应区的一端的载体涂料管连续引入该溶液，并通过在具有水平取向 的通道的加工区的另一端的载体涂层管移除。在这一涂覆步骤中，通过 入口和出口管道系统引入20sccm氮气以阻止渗入入口和出口区域。随后 从通道中除去溶液，用氮气冲刷装置以除去过量溶液。重复相同的步骤 以用La(NO3)3·6H2O水溶液涂覆SMR通道。在用氮气冲刷SMR通道后，在 150cc/min的无烃空气中于100℃干燥1小时。然后在1000℃以加热和冷 却速率为3.5℃/min煅烧4小时。
用硝酸盐形式的前体给燃烧通道涂覆由原子比为4∶1的镨和钯组成 的第一活性金属层。用和先前描述的用于La步骤相同的方法，将溶液引 入燃烧通道中，然后移除。将装置在150cc/min的无烃空气中于100℃干 燥1小时，然后在1000℃以加热和冷却速率为10℃/min煅烧1小时。
使用注射泵用10％重量百分比的Pt(NH3)4(NO3)2在燃烧通道中涂覆由 铂组成的第二活性金属层。用和先前描述的用于La步骤相同的方法，将 溶液引入燃烧通道中，然后移除。使用注射泵给SMR通道涂覆由在硝酸 盐溶液中的10％重量百分比的铑组成的第二活性金属层。用和先前描述 的用于La步骤相同的方法，将溶液引入SMR通道中，然后移除。将装置 在以150cc/min流动的无烃空气中于100℃干燥1小时，然后在1000℃ 以加热和冷却速率为3.5℃/min煅烧1小时。
整个反应器在15cm蛤壳式(clamshell)的Ni-Cr陶瓷加热器中操 作，该加热器保持在低于最高燃烧腹板(web)温度大约25-50℃的温度， 以抵消热损失效应。通过外部加热器给反应物和空气流提供预热。
通过布鲁克斯5850e和5851e系列质量流量控制器给料每一种反应 物气体。压力用努肖克公司(NOSHOK)1001501127和1003001127型压力传 感器测量。气体组合物通过热传导率探测器气相色谱分析。为了正确操 作，所有设备都经过校准和校验。流量率用被拜斯国际(BIOS International)校准和保证的主标准校准器、干-校(Dry-Cal)DC-2M 主流量校准器校准。压力传感器用带福禄克(Fluke)校准和保证的福禄克 700P07或700P06压力模块(module)的福禄克7181006型压力校准器 校准。气相色谱用普莱克斯销售公司(Praxair Distribution Inc.)混合 和保证的校准气体校准。使用纯氢做燃烧燃料且用5-27％过量的空气。 燃烧排气分析一致性地显示了100％的氢转化率。
“平均面积热通量”的定义是吸热反应的热负荷除以和翅片基部的 相邻的热传递表面的平面面积。该面积是用于从热交换通道向翅片基部 的热交换的通道。
“腹板(web)”的定义是分隔吸热反应(含翅片)工艺微通道和热 交换燃烧反应腔室的壁。
“平衡转化率温度”(表1)是给定的入口组合物产生与在测量的过 程出口压力下测量的甲烷转化率相等的平衡甲烷转化率所需的温度。类 似地，“平衡选择性温度”(表1)是给定的入口组合物产生与在测量的过 程出口压力下测量的CO选择性相等的平衡CO选择性值所需的温度。平 衡气体组合物用NASA路易斯(NASA LEWIS)热力学平衡代码或ChemCAD 计算。甲烷转化率和对一氧化碳的选择性由气相色谱测量的干燥产物气 体组合物依据等式1和2计算
CH4转化率＝1-(YCH4/YCH4+YCO+YCO2) (1)
CO的选择性＝YCO/(YCO+YCO2) (2)
其中Y是每一所指的组分的摩尔分数。
接触时间(CT)是气体每小时空速(GHSV)的倒数，乘以将倒数的 小时转换成毫秒的转换因数：
CT＝(1/GHSV)(3600000ms/hr)
其中GHSV是倒数小时的气体每小时空速。对反应器给料的体积流量率的 速率在0℃和1大气压的标准条件下定义，用于计算接触时间或者GHSV 的目的。因而接触时间和GHSV仅取决于入口摩尔流量率和反应腔室体积。
反应器的性能数据见表1和图13、图14。在最高金属腹板温度为950 和900℃时，平衡SMR转化率和选择性分别在表观SMR温度为925和875 ℃下达到而＞25W/cm2的热通量在接触时间小于5毫秒(ms)时达到。在 更快的接触时间下，获得了达到90-140W/cm2的热通量，显示了SMR翅 片负载的催化剂在催化剂的上游部分跟上更高的热需求的能力。尽管在 25个大气压下的相同温度条件显示为～840℃平衡转化率，但在燃烧金属 腹板温度为875℃时14个大气压下采集的数据显示～800℃平衡转化率。
将翅片负载的SMR工艺微通道用于测试在SMR反应器的上游端所能 达到的最大热通量。在反应物的总流量率为7.4标准升每分钟(SLPM)(在 1.78英寸催化剂床中0.5ms接触时间)，25大气压，且维持最大燃烧腹 板温度为950℃时，能达到超过140W/cm2的平均热通量，且其转化率和 选择性值分别等于大约700和800℃平衡值(见表1)。
表1
条件(温度和接触时间) 950℃ 5.0ms 900℃ 2.7ms 950℃ 2.7ms 900℃ 0.7ms 950℃ 0.7ms 反应时间(time on stream)(hr) 75 25 20 92 72.5 接触时间(ms) 4.9 2.7 2.7 0.7 0.7 最高腹板温度(℃) 953 906 953 900 950 平均面积热通量(W/cm2) 29.7 43.7 50.8 94.7 141.9 平衡转化率温度(℃) 935 840 902 701 708 平衡选择性温度(℃) 924 846 901 776 792 空气入口气体温度(℃) 932 880 930 856 887 排气气体温度(℃) 940 884 938 872 917 空气入口压(kPa) 124 123 127 148 190 总燃料流量率(SLPM) 0.152 0.184 0.222 0.454 0.693 燃料H2含量(％) 100 100 100 100 100 空气流量率(SLPM) 0.460 0.460 0.554 1.135 2.095
％过量空气(基于入口 流量) 27 5 5 5 27 空气压降(kPa) 9.7 9.0 11.7 26.9 58.6 SMR入口气体温度(℃) 915 860 906 810 814 SMR出口气体温度(℃) 940 879 934 847 874 SMR入口压(kPa) 2560± 5 2560± 5 2570± 5 2600± 5 2630 ±5 SMR出口压(kPa) 2560± 5 2560± 5 2570± 5 2570± 5 2560 ±5 SMR CH4流量率(SLPM) 0.182 0.326 0.326 1.264 1.82 SMR蒸汽流量率(SLPM) 0.547 0.980 0.980 3.78 5.46 蒸汽与甲烷摩尔比 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 CH4转化率(GC基础) (％) 93.0 77.6 89.1 44.3 45.7 选择性：CO(％) 69.5 60.2 67.4 47.3 50.6 SMR(碳出)/(碳入) 1.05 1.02 1.03 1.04 0.98 距催化剂翅片上游末端 1.0mm处的腹板温度 953 906 953 900 950 距催化剂翅片上游末端 2.8mm处的腹板温度 948 906 953 898 944 距催化剂翅片上游末端 5.4mm处的腹板温度 943 901 949 888 930 距催化剂翅片上游末端 17.2mm处的腹板温度 930 895 940 878 912 距催化剂翅片上游末端 28.0mm处的腹板温度 929 886 933 864 893 距催化剂翅片上游末端 39.2mm处的腹板温度 943 888 940 866 897
炉温(℃) 935 883 934 864 902
实施例2
针对甲烷-合成气的部分氧化，设计并测试用于部分氧化反应过程中 的翅片，主要关注的特征如下：
1.高CH4转化率：翅片的使用应提供高CH4转化率。
2.高H2选择性：翅片的使用应提供高H2选择性。
3.高CO选择性：翅片的使用应提供高CO选择性。
4.低的压降：翅片的使用应产生低流动阻力。
5.机械和热强度：翅片应具有高机械强度，以维持在装置制造(像连 接)和其操作过程中通道内部的大应力条件。具有良好的热传递特性的 设计能防止热点和材料老化。
图6显示了由用于在燃烧微通道中进行POX反应过程的翅片的几何 形状。翅片的梯形形状提供了翅片基部的机械刚性。所有翅片都被支撑 在矩形基础上，以提高翅片的热传递性能。翅片由FeCrAlY用线割法(wire EDM method)制造。下表概括了翅片的尺寸：
尺寸(英寸) 翅片厚度 在基部 在顶端 0.005 0.002 翅片间隔 在基部 在顶端 0.012 0.017 翅片高度 0.029 矩形基部高度 0.020 总体宽度 0.180 总体高度 0.049 总体长度 1.500
通过混合7.2gγ-Al2O3粉末、12g去离子水和42g直径为3mm的Al2O3 珠子制备Al2O3浆液。其pH值用硝酸调至3.5-4。该Al2O3是被研磨成小 于150微米的粉末的酸性γ-Al2O3。用球磨机球磨混合物(ball-milled) 8小时。在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g 25wt.％的Al2O3溶胶(萨 索尔14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h 并冷却至室温后，在20wt.％HNO3溶液中超声清洗翅片20min。然后用去 离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下干燥1小时后，翅片在空气 中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃，并在空气中在1000℃下煅 烧8小时。煅烧后产生致密Al2O3层。该Al2O3层起一防护片的作用，也提 高了涂层和该翅片之间的粘附力。该Al2O3浆液通过浸渍洗涂到翅片上。 过量的浆液通过在涂覆表面上喷射空气来除去。将翅片在120℃干燥1 小时，然后在450℃煅烧4小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。通过浸 渍将7.5wt.％La(NO3)3溶液浸渍到翅片上。在空气中120℃干燥翅片1小 时，然后在1000℃煅烧4小时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。表面 的La2O3稳定了Al2O3。浆液填充量是25.4mg每翅片。将10wt.％Rh(NO3)3 溶液滴到翅片上，多余的溶液用压缩空气吹去。所得的翅片负载催化剂 在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1h。Rh的装载量是4.8mg 每翅片。
在1个大气压下，在一小片中测试翅片负载催化剂的将甲烷转化成 合成气的部分氧化反应。该小片是一个圆柱形棒，其直径是0.5英寸， 长度是2英寸。该小片在其中心具有一个矩形微通道隧道。该隧道沿其 内轴延伸通过该棒。该隧道的高度为0.05英寸，宽度为0.18英寸。该 翅片负载催化剂被置于该隧道中测试。在该隧道的每一侧设有气体紧密 连接。反应物穿流通过管道流入该隧道，并穿流通过该隧道和翅片负载 催化剂接触。将该小片置于一个炉子中。炉子的温度升高至保持小片的 中长度(mid-length)外表面温度为850℃。物料流在炉子入口的温度是 室温，并在进入小片之前预热。管道从炉子入口至小片的长度是10英尺。 产物流的出口压力是大气压力。小片中的压降用卡布许里克差压表 (Capsuhelic differential pressure gauge)测量。产物的成分用双柱 气相色谱仪分析。翅片负载催化剂的性能根据CH4转化率，H2选择性以及 CO选择性测量。
CH4转化率(％)＝(VCH4，进-VCH4，出)/(VCH4，进)×100
H2选择性(％)＝(VH2，出，实际值)/(VH2，出，理论值)×100
CO选择性(％)＝(VCO，出)/(VCO，出+VCO2，出)×100
该催化剂在使用前于400℃用H2还原30min。进料气体组成是29.6％ 的CH4和70.4％的空气(CH4/O2＝2/1)，总流量为2030ml/min(标准条件)。 接触时间是3.3ms。接触时间的定义是无翅片的小片流动体积和体积流量 之比。下表概括了在157小时操作后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在850℃) 85％ H2选择性(在850℃) 92％ CO选择性(在850℃) 95％ 压降 5.6psi(磅/平方英寸)
实施例3
在POX反应过程中使用的另一可选的翅片提供了减少压降的优点。 流动面积通过减少翅片的数目得到了增加。有5个翅片从翅片负载物上 向上突出。该翅片具有一梯形的横截面形状，如图6所示。翅片的厚度 以及翅片的梯形形状一起提供了翅片基部的机械刚性。翅片被支撑在矩 形支撑物或基部上以提升翅片的传热性能。翅片由FeCrAlY制备。翅片 用线割法(wire EDM)制造。下表总结了翅片的尺寸：
尺寸(英寸) 翅片厚度 在基部 在顶端 0.020” 0.010”
翅片间隔 在基部 在顶端 0.012” 0.022” 翅片高度 0.033” 矩形基部高度 0.020” 总体宽度 0.180” 总体高度 0.053” 总体长度 1.500”
通过混合7.2gγ-Al2O3粉末、12g去离子水和42g直径为3mm的Al2O3 珠子制备Al2O3浆液。其pH值用硝酸调至3.5-4。该Al2O3是被研磨成小 于150微米的粉末的酸性γ-Al2O3。用球磨机球磨混合物8小时。在4.2g 浆液中通过不断搅拌加入0.8g 25wt.％的Al2O3溶胶(萨索尔14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h 并冷却至室温后，在20wt.％HNO3溶液中超声清洗翅片20min。然后用去 离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下干燥1小时后，翅片在空气 中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃，并在空气中在1000℃下煅 烧8小时。Al2O3浆液通过浸渍涂覆到翅片上。过量的浆液通过在涂覆表 面上喷射空气除去。在120℃干燥翅片1小时，然后在450℃煅烧4小时， 加热和冷却速率为3.5℃/min。通过浸渍法将7.5wt.％La(NO3)3溶液浸渍 到翅片上。在空气中120℃干燥翅片1小时，然后在1000℃煅烧4小时， 其加热和冷却速率为3.5℃/min。浆液填充量是6.0mg每翅片。将10wt.％ Rh(NO3)3溶液滴到翅片上，过量的溶液用压缩空气吹去。所得的翅片负载 催化剂在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1h。Rh的装载量 是1.0mg每翅片。
在1个大气压下，在如实施例2所述的小片中测试翅片负载催化剂 的将甲烷转化成合成气的部分氧化反应。将该小片置于一个炉子中。炉 子的温度升高至保持小片的中长度的外表面温度为805℃。物料流在炉子 入口的温度是室温。进料流进入小片之前被预热。管道从炉子入口至小 片的长度是10英尺。产物流的出口压力是大气压力。小片中的压降是入 口和出口压力之差。产物的组成用双柱气相色谱仪分析。翅片的性能依 据CH4转化率、H2选择性和CO选择性测量。下表概括了在115小时操作 后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在850℃) 87％ H2选择性(在850℃) 93％ CO选择性(在850℃) 93％ 压降 2.8psi
实施例4
用锯切法(saw-cut method)制备FeCrAlY翅片，并在一小片中测试 其催化剂性能。下表总结了该翅片的尺寸：
尺寸(英寸) 翅片厚度 在基部 在顶端 0.010” 0.005” 翅片间隔 在基部 在顶端 0.017” 0.022” 翅片高度 0.033” 矩形基部高度 0.020” 总体宽度 0.180” 总体高度 0.053” 总体长度 1.500”
通过混合7.2g伽马Al2O3粉末、12g去离子水和42g直径为3mm的 Al2O3珠子制备Al2O3浆液。其pH值用硝酸调至3.5-4。该Al2O3是被研磨 成小于150微米的粉末的酸性伽马Al2O3。用球磨机球磨混合物8小时。 在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g 25wt.％的Al2O3溶胶(萨索尔 14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h 并冷却至室温后，该翅片在20wt.％HNO3溶液中超声清洗20min。然后用 去离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下干燥1小时后，翅片在空 气中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃，并在空气中在1000℃下 煅烧8小时。该Al2O3浆液通过浸渍洗涂到翅片上。过量的浆液通过在涂 覆表面上喷射空气除去。该翅片在120℃干燥1小时，然后在450℃煅烧 4小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。通过浸渍法将7.5wt.％La(NO3)3 溶液浸渍到浆液涂覆的翅片上。翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在 1000℃煅烧4小时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。浆液填充量是 18.7mg每翅片。将10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到翅片上，过量的溶液用压缩 空气吹去。所得的翅片负载催化剂在空气中120℃干燥1小时，然后在 1000℃煅烧4h。Rh的装载量是3.2mg每翅片。
在1个大气压下，在如实施例2所述的小片中测试翅片负载催化剂 的甲烷的部分氧化反应。将该小片置于一个炉子中。该催化剂在使用前 于400℃用H2还原30min。进料气体组成是29.6％的CH4和70.4％的空气 (CH4/O2＝2/1)，总流量为2372ml/min(标准条件)。接触时间是3.3ms。 炉子的温度调整至保持小片的中长度的外表面温度为850℃。物料流在炉 子入口的温度是室温。进料流进入小片之前被预热。管道从炉子入口至 小片的长度是10英尺。产物流的出口压力是大气压力。小片中的压降用 卡布许里克差压表测量。产物的组成用双柱气相色谱仪分析。翅片的性 能依据CH4转化率、H2选择性和CO选择性测量。下表概括了在400小时 操作后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms
CH4转化率(在850℃) 75％ H2选择性(在850℃) 72％ CO选择性(在850℃) 91％ 压降 2.1psi
实施例5
一个和实施例4的翅片尺寸相同的翅片在异丙醇中用超声清洗 20min。在100℃下干燥1h并冷却至室温后，该翅片在20wt.％HNO3溶液 中超声清洗20min。然后用去离子水漂洗该翅片至pH值为7。在120℃下 干燥1小时后，翅片在空气中以3.5℃/min的加热速率被加热到1000℃， 并在空气中在1000℃下煅烧8小时。煅烧后产生致密Al2O3层。该Al2O3 层起一防护片的作用，也提高了涂层和该翅片之间的粘附力。Al2O3溶胶 (25wt.％，萨索尔14N4-25)通过浸渍涂到翅片上。过量的溶胶通过在涂 覆表面上喷射空气除去。该翅片在120℃干燥1小时，然后在450℃煅烧 4小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。重复溶胶涂覆过程3至4次直至 达到17mg Al2O3每翅片的填充量。通过浸渍法将7.5wt.％La(NO3)3溶液浸 渍到翅片上。翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧4小 时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。将10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到翅片 上，多余的溶液用压缩空气吹去。所得的翅片负载催化剂在空气中120 ℃干燥1小时，然后在500℃煅烧1h。重复Rh(NO3)3溶液涂覆一次，且 该翅片在1000℃煅烧4小时。Rh的装载量是5.2mg每翅片。
在1个大气压下，用如实施例2所述的小片测试所得的翅片负载催 化剂的将甲烷转化成合成气的部分氧化反应。将该小片置于一个炉子中。 该催化剂在使用前于450℃用H2还原30min。进料气体组成是29.6％的CH4 和70.4％的空气(CH4/O2＝2/1)，总流量为2361ml/min(标准条件)。接 触时间是3.3ms。炉子的温度调整至保持小片的中长度的外表面温度为 800℃。物料流在炉子入口的温度是室温。进料流进入小片之前被预热。 管道从炉子入口至小片的长度是10英尺。产物流的出口压力是大气压力。 小片中的压降用卡布许里克差压表测量。产物的成分用双柱气相色谱仪 分析。翅片负载催化剂的性能根据CH4转化率，H2选择性以及CO选择性 测量。下表显示了在600小时恒稳操作后的翅片负载催化剂性能。
参数 值 涂层类型 溶胶载体涂料 燃料组成 29.6％CH4，70.4％的空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在800℃) 71％ H2选择性(在800℃) 70％ CO选择性(在800℃) 87％ 压降 1.4psi
上述翅片负载催化剂用一种正丁烷和CH4燃料的混合物测试。进料气 体含有7.2％的CH4，7.2％的正丁烷以及85.6％的空气，总流量为2091ml/min (标准条件)。出口气体组成用四柱气相色谱仪分析。炉子的温度调整至 保持小片的中长度的外表面温度为800℃。翅片负载催化剂在300小时操 作后的性能归纳如下。
参数 值 涂层类型 粉末浆液载体涂料 燃料组成 7.5％CH4，7.5％正丁烷，85％ 空气 燃料接触时间 3.3ms CH4转化率(在800℃) 60％ 正丁烷转化率(在800℃) 76％ H2选择性(在800℃) 77％ CO选择性(在800℃) 82％ 压降 1.0psi
实施例6
制备具有图1所示的设计的吸附分离单元。在翅片壁上涂覆选择性 吸附介质吸附剂。翅片由铝制成，高1mm，宽0.5mm，且间隔0.5mm分开。 翅片的基部是0.5mm。翅片被插入到高1.05mm宽5cm的工艺微通道中。 在微通道中有50片翅片。工艺微通道和一热交换通道相邻。用水作为热 交换流体来冷却吸附的单元以及加热解吸附的单元。在解吸附时，在热 交换通道中穿流通过65℃水流。在吸附时，在热交换通道中穿流通过15 ℃水流。
将甲烷和氮气的混合物物料给料至吸附单元。甲烷比氮气更优先地 吸附在吸附介质上。吸附发生在35℃。当吸附介质满负荷时，通过在热 交换通道中穿流通过暖流体把吸附介质的温度升高到55℃。甲烷解吸到 甲烷或天然气的解吸附流体中。在解吸甲烷后，吸附介质的温度被冷却 至35℃，以用于第二吸附周期。加热和冷却之间的周期时间是0.1秒。
虽然本发明通过涉及不同的详细的实施方案得到解释，应该知道， 在阅读本说明书后，其不同的修改对本领域技术人员是显而易见的。因 此，应该理解，在此公开的本发明意在涵盖落在所附权利要求范围内的 此类修改。
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