CN100531890C - 使用微通道技术的氧化方法和用于该方法的新催化剂 - Google Patents

使用微通道技术的氧化方法和用于该方法的新催化剂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将烃反应物转化成CO和H2的方法。该方法包括：(A)在反应条件下，将一种包含烃反应物(116)的反应混合物和氧气或氧源(118)流经一个和一种催化剂接触的微通道反应器(100)，以形成产物。在步骤(A)中形成的产物在一个微通道反应器中可以转化成一种包含CO2和H2O的产物。本发明还公开了一种催化剂，该催化剂包含一种由化学式M1 aM2 bM3 cAldOx代表的成分，其中：M1是Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或其两种或两种以上物质的混合物；M2是Ce，Pr，Tb或其两种或两种以上物质的混合物。

Description

使用微通道技术的氧化方法和用于该方法的新催化剂
本申请是序列号为No.10/440,053的美国专利申请中部分的延续，其申请日为2003年5月16日，该申请作为参考文件列入此处。
技术领域
本发明涉及一种氧化方法，该方法使用微通道技术和一种在该氧化过程中有效的新颖催化剂。
背景技术
甲烷和更高级的烃的完全燃烧在相对短的接触时间内在微通道反应器中和在充足燃料的情况下是难以达到的。该燃烧是不完全的.从而导致不利量的一氧化碳和碳沉积。因此有待于发现一种方法来实现在微通道反应器中的完全燃烧反应。本发明提供了对于该问题的一个解决方法。
部分氧化反应通常包括在催化剂存在的条件下烃和氧气反应形成氢气和一氧化碳。例子包括甲烷转化成氢气和一氧化碳。这些反应的一个问题是它们是放热的并且通常在易于形成热点的固定床反应器中进行。这些热点的形成增加了催化剂失去活性的趋势。本发明提供了对于该问题的一个解决方法。
本发明涉及一种方法，其中部分氧化反应或与燃烧反应偶联的部分氧化反应在一个微通道反应器中进行，在其内形成热点的趋势被降低且所需产物的选择性被提高。本发明方法中这些热点的减少被认为至少是部分由于微通道反应器提供了改善的热交换特性和对滞留时间
(residence time)的更精确的控制这一事实。在一个实施方案中，本发明方法使用了一种新颖的，稳定的且高活性的部分氧化催化剂。
使用本发明方法有可能获得与不使用微通道反应器的现有技术相比相对高的热和质量转换率以及更短的接触时间。本方法提供了和现有技术相比更精确的温度控制。因而，这导致催化剂耐久性的增加并减少不利副产物的形成。使用本方法，有可能获得和现有技术相比相对高的烃反应物的转化水平以及所需产物的更高的选择性水平。
发明内容
本发明涉及一种将烃反应物转化成含有CO和H2的产物的方法，该方法包括：
(A)将一种含有烃反应物的反应混合物和氧气或氧源(source ofoxygen)在反应条件下流经一个和一种催化剂接触的微通道反应器以形成产物，该微通道反应器包括至少一个其内设置有催化剂的过程微通道(process microchannel)，该烃反应物包括甲烷，该反应物混合物和产物在过程微通道中的接触时间可达大约500毫秒，反应物混合物和产物在过程微通道中的温度可达大约1150℃，烃反应物的转化率至少大约50％。
在本发明的一个实施方案中，步骤(A)使用的催化剂是一种部分氧化催化剂，步骤(A)形成的产物是一个中间产物，且该方法还包括如下的步骤(A)后续的附加步骤：
(B)将步骤(A)中形成的中间产物在反应条件下流经一个和一种燃烧催化剂接触的一个微通道反应器，以形成含有CO2和H2O的最终产物。
在一个实施方案中，该反应混合物还包括H2O且产物含有H2、CO和CO2。
在一个实施方案中，本发明涉及一种含有下式所示的成分的催化剂
M1 aM2 bM3 cAldOx
其中M1是Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或一种其两种或两种以上物质的混合物；
M2是Ce，Pr，Tb或一种其两种或两种以上物质的混合物；
M3是La，Ba，Zr，Mg，Ca或一种其两种或两种以上物质的混合物；
a是一个在大约0.0001至大约1的范围内的数；
b是一个在0至大约0.9999的范围内的数；
c是一个在大约0.0001至大约0.9999的范围内的数；
d是一个在大约0.0001至大约0.9999的范围内的数；以及
x是为满足存在的元素的化合价要求所需的氧的数；
本催化剂被涂布在一种基质或负载在一种泡沫、毛毡(felt)、软填充物(wad)或翅片(fin)上。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制备一种被负载的催化剂的方法，包括：
(A)在至少部分负载结构上涂覆一层Al2O3；
(B)煅烧步骤(A)形成的已处理的负载结构；
(C)在步骤(B)形成的已煅烧的负载结构表面涂覆一种增进剂或稳定剂，该增进剂或稳定剂包括La，Ba，Zr，Mg，Ca或一种其氧化物或硝酸盐，或其两种或两种以上物质的混合物；
(D)煅烧步骤(C)形成的已处理的负载结构；
(E)在步骤(D)形成的已煅烧的负载结构表面涂覆一种催化性金属或其氧化物或其硝酸盐，该催化性金属包括Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或其两种或两种以上物质的混合物；以及
(F)煅烧步骤(E)形成的已处理的负载结构，以形成负载催化剂。
附图说明
在附图中，相同的部件和特征具有相同的标记。
图1是一张示意性的流程图，显示了本发明部分氧化方法的一个特殊形式，其中一种烃反应物和氧气或一种氧源与本发明催化剂在一个微通道反应器中接触并反应形成一种含有氢气和一种碳氧化物的产物。
图2是一个示意性的流程图，显示了使用本发明部分氧化方法的微通道反应器的一种特殊形式的操作。
图3是使用本发明部分氧化方法的过程微通道的示意图，该过程微通道含有一种具有旁边流过的(pass-by)布局的催化剂。
图4是使用本发明部分氧化方法的过程微通道的示意图，该过程微通道含有一种具有贯穿流过的(pass-through)布局的催化剂。
图5是使用本发明部分氧化方法的过程微通道的示意图，该过程微通道含有一种包括多个翅片的组装翅片，本发明催化剂由翅片负载。
图6显示了如图5所示的过程微通道和组装翅片的另一实施方案。
图7显示了如图5所示的组装翅片的另一实施方案
图8是实施例2公开的测试的过程性能相对时间的作图
图9是实施例7公开的测试的过程性能相对时间的作图
图10显示了实施例8公开的测试中使用的微通道反应器的通道设置。
图11显示了实施例9使用的微通道反应器的组装翅片。
具体实施方式
术语“微通道”指的是一种通道，其至少一个高度或宽度的内尺寸达大约10毫米(mm)，在一个实施方案中达大约5mm，在一个实施方案中达大约2mm，在一个实施方案中达大约1mm。在一个实施方案中，该高度或宽度在大约0.05至大约10mm的范围内，在一个实施方案中大约0.05至大约5mm，在一个实施方案中大约0.05至大约2mm，在一个实施方案中大约0.05至大约1.5mm，在一个实施方案中大约0.05至大约1mm，在一个实施方案中大约0.05至大约0.75mm，在一个实施方案中大约0.05至大约0.5mm。高度和宽度两者都和流体流经微通道的方向垂直。
术语“相邻”当指的是一个通道的位置相对于另一个通道的位置的时候意思是直接相邻，以使一个壁分隔两个通道。该壁可以有不同的厚度。然而，“相邻”的通道不被一个会干扰通道之间热交换的居间通道隔开。
术语“流体”指的是一种气体，一种液体，或一种含有分散的固体物质的气体或液体，或其混合物。该流体可以是一种含有分散的液体微滴的气体的形式。
术语“接触时间”指的是在一大气压和温度为0℃下，在微通道反应器中的反应区的体积除以反应混合物的体积物料流量率。
术语“滞留时间”指的是在使用的温度和压力下，被一种穿流通过的流体占据的空间(例如，微通道反应器中的反应区)的内体积除以流经该空间的流体的平均体积流量率。
术语“反应区”指的是反应物接触催化剂的微通道反应器内的空间。
术语“烃反应物的转化”指的是反应混合物和产物之间的烃反应物的摩尔数变化除以反应混合物中的烃反应物的摩尔数
术语“对所需产物的选择性”指的是产生的所需的氧化物或腈化物的摩尔数除以产生的所需的氧化物或腈化物的摩尔数加产生的其他产物(例如，CO，CO2)乘以其各自的化学计量因子。例如，对于乙烯氧化成乙烯氧化物，而二氧化碳是不利的副产物的情况，产生一摩尔乙烯氧化物和一摩尔二氧化碳，其相应的选择性是100×(1/(1+0.5))＝67％。
术语“烃”的定义是一种含有一种烃或主要是烃的属性的化合物。这些烃化合物包括以下物质：
(1)纯烃化合物；即，脂肪族化合物，(例如，烷烃或亚烃(alkylene))，脂环族化合物(例如，环烷烃、环亚烃(cycloalkylene))，芳香族化合物，脂肪基和脂环基取代的芳香族化合物，芳香基取代的脂肪族化合物和芳香基取代的脂环族化合物，以及类似的物质。其例子包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、乙基环己烷、甲苯、二甲苯、乙基苯、苯乙烯，等。
(2)取代的烃化合物；即，含有不改变化合物主要为烃的特性的非烃取代基的烃化合物。非烃取代基的例子包括羟基、酰基、硝基，等。
(3)杂原子取代的烃化合物；即，虽然主要是烃的特性，但该烃化合物在本由碳原子组成的链或环上含有非碳原子。适合的杂原子包括，例如，氮、氧和硫。
本发明方法可以如图1和图2所示进行。参见图1，本方法操作使用微通道反应器100，该微通道反应器100包括微通道反应器核心101，反应物集管(header)102，氧化剂集管104，产物脚管(footer)106，热交换集管110和热交换脚管112。该微通道反应器核心101包括反应区107，以及集流腔(manifold)和同流换热器(recuperator)108。包括烃反应物的反应混合物通过反应物集管102流进微通道反应器100，如方向箭头116所示。氧气或氧源通过氧化剂集管104流进微通道反应器100，如方向箭头118所示。烃反应物和氧气或氧源流进并通过该集流腔和同流换热器108流入反应区107，在其内它们与催化剂接触并反应生成所需的产物。该产物从反应区107经该集流腔和同流换热器108流至产物脚管106，并流出产物脚管106，如方向箭头120所示。一种热交换流体可以流进热交换集管110，如方向箭头124所示，以及从热交换集管110通过微通道反应器核心101流到热交换脚管112，并流出热交换脚管112，如方向箭头126所示。反应物可以在进入反应区之前预热。烃反应物和氧气或氧源可以在进入反应区之前混合，或在反应区中混合。
在微通道反应器核心101内，氧气或氧源可以用分段加入的方法加入到烃反应物中。这在图2中显示，图2显示了在图1显示的微通道反应器100中使用的重复单元130。重复单元130被安置在机架(housing)单元131内，重复单元130包括过程微通道140和150，氧化剂微通道160，孔170，以及热交换微通道180和190。烃反应物流经过程微通道140和150，分别如方向箭头141和151所示。氧气或氧源通过氧化剂微通道160流进孔170，如方向箭头161所示。氧气或氧源在过程微通道140和150中和烃反应物混合。过程微通道140和150分别具有反应区142和152以及通道区143和153，其中在反应区142和152内有催化剂的存在，且反应物接触催化剂，并进行反应形成所需产物，在通道区143和153内进一步和上述的催化剂接触，或可采用一种有效的不同的催化剂，或可冷却产物和/或骤冷产物。设置在反应区的催化剂为部分氧化催化剂。在一个实施方案中，一种燃烧催化剂可设置在位于反应区142和152和/或通道区143和153中的该部分氧化催化剂的下游。产物流出过程微通道140和150，分别如方向箭头144和154所示。产物流出过程微通道140和150流到集流腔和同流换热器108，并从集流腔和同流换热器108流经产物脚管106，如方向箭头120所示。热交换流体从集管110流经热交换通道180和190，分别如方向箭头181，以及191和192所示，流到热交换脚管112。热交换通道180和190被排列成提供一种相对于过程微通道140和150呈错流的方向的流动，如箭头181，191和192所示。过程微通道140和150向热交换通道传递热量。热交换流体可以用已知的技术循环流动。或者，热交换通道可以确定方向以提供热交换流体以相对于流经过程微通道140和150的流体的流动方向并流或逆流的方向的流动。图2所示的重复单元130可以在微通道反应器100内发生一次，或重复任何数次，例如，两次，三次，四次，五次，十次，二十次，五十次，一百次，几百次，一千次，几千次，一万次，几万次，十万次，几十万次，或几百万次。本方法提供的分段氧气添加提供了降低局部氧气压力以及相对于高级数竞争反应和不利的燃烧反应更有利于所需的低级数部分氧化反应的优势。
每一过程微通道140和150以及氧化剂微通道160具有至少一个可达约10mm的高度或宽度的内尺寸，在一个实施方案中从大约0.05至大约10mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约5mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约2mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约1.5mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约1mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约0.5mm。另一个高度或宽度的内尺寸可以是任意值，例如，可在大约0.1cm至大约100cm的范围内，在一个实施方案中从大约0.1至大约75cm，在一个实施方案中从大约0.1至大约50cm，在一个实施方案中从大约0.2至大约25cm。每一过程微通道140和250以及氧化剂微通道160的长度可以是任何值，例如，其长度可以在大约1cm至大约500cm的范围内，在一个实施方案中为1cm至大约250cm，在一个实施方案中为1cm至大约100cm，在一个实施方案中为1cm至大约50cm，在一个实施方案中为2cm至大约25cm。
每一热交换通道180和190具有至少一个可达约10mm的高度或宽度的内尺寸，在一个实施方案中从大约0.05至大约10mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约5mm，在一个实施方案中从大约0.05至大约2mm，在一个实施方案中从大约0.5至大约1mm。另一个高度或宽度的内尺寸可以在大约1mm至大约1m的范围内，在一个实施方案中为大约1mm至大约0.5m，在一个实施方案中为大约2mm至大约10cm。热交换通道的长度可以从大约1mm至大约1m的范围内，在一个实施方案中为大约1cm至大约0.5m。这些热交换通道可以是微通道。每一过程微通道140或150和下一个相邻的热交换通道180或190之间的间隔可以从大约0.05mm至大约5mm的范围内，在一个实施方案中为大约0.2mm至大约2mm。
微通道反应器100可以用已知的技术制造。这包括层压法交错薄垫片，其中薄垫片被设计为交错排列的过程微通道,氧化剂微通道和热交换通道。
机架131，过程微通道140和150，氧化剂微通道160，以及热交换通道180和190可以由任何具有足够强度，体积稳定性和热交换特性以允许本发明方法操作的任何材料制成。这些材料包括：钢(例如，不锈钢、碳钢，和类似物)；蒙乃尔合金(monel)；英科耐尔合金(inconel)；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；黄铜；任何前述金属的合金；聚合物(例如热固性树脂)；陶瓷；玻璃；包含一种或多种聚合物(例如热固性树脂)和玻璃纤维的复合物；石英；硅；或其中的两种或更多种物质的组合。
可选地，通过在一个装置中使用小孔或喷嘴，或来自一种微孔膜或交替喷射薄片，分段添加氧气或氧源至微通道反应器可以受到使用分开装置的影响。分段添加氧气至部分氧化反应，以及特定的氧化脱氢反应，在Tonkovich，Zilka，Jimenz，Roberts，和Cox在1996年于《化学工程科学》(Chemical Engineering Science)，51(5)，789-806页上发表的“无机膜反应器的实验探索：一种用于部分氧化反应的分布式给料方法”得到公开，该文作为参考文件列入此处。
在一个实施方案中，过程微通道140和150可包含一个总体流动路径(bulk flow path)。术语“总体流动路径”指的是一个在过程微通道内的开启的路径(连续总体流动区域)。一个连续总体流动区域允许流体没有大的压降的情况下，快速流经微通道。在一个实施方案中，总体流动区域中的流体流动是层流。每一过程微通道中的总体流动区域的横截面积可为大约0.05至大约10,000mm2，在一个实施方案中大约0.05至大约5000mm2，在一个实施方案中大约0.1至大约2500mm2，在一个实施方案中大约0.2至大约1000mm2，在一个实施方案中大约0.3至大约500mm2，在一个实施方案中大约0.4至大约250mm2，在一个实施方案中大约0.5至大约125mm2。总体流动区域可包括从大约5％至大约95％，在一个实施方案中大约30％至大约80％的过程微通道140和150的横截面积。
反应混合物可以是一种流体的形式。该流体可以是一种液体或一种气体，在一个实施方案中是气体的形式。该流体可以是一种含有分散的液体微滴的形式的气体。该反应混合物包括甲烷，还可包括一种或多种额外的烃反应物。甲烷在甲烷和一种或多种额外烃反应物的混合物中的浓度可达大约100％甲烷，在一个实施方案中从大约10至大约90％体积甲烷，在一个实施方案中从大约50至大约90％体积甲烷。
反应混合物的纯度不是关键的，尽管最好避免可能使催化剂中毒的化合物的存在。因而，反应混合物还可包括诸如空气，二氧化碳，以及类似的杂质。
反应混合物可包括一种稀释材料。此类稀释剂的例子包括氮气，氦气，二氧化碳，液态水，蒸汽，以及类似的物质。稀释剂和烃反应物在反应混合物中的体积比可以在从零至80％体积百分比的范围内，在一个实施方案中从零至大约50％体积百分比。然而，本发明的至少一个实施方案的优点是，有可能在不使用此类稀释剂的条件下实施本发明方法，因而可以提供一种更有效和更紧凑的方法。
该烃反应物包括甲烷，还可包括一种或多种额外的能进行氧化反应的，且在过程微通道中使用的温度和压力下是液体(在一个实施例中是蒸汽)的烃化合物。例子包括饱和脂肪族化合物(例如烷烃)，不饱和脂肪族化合物(例如单烯，多烯，以及类似的物质)，烷基取代的芳香化合物，亚烃基取代的芳香化合物，油，通常是液体的燃料，以及类似的物质。
该饱和脂肪族化合物包括每分子含2至大约20个碳原子的烷烃，在一个实施方案中2至大约18个碳原子，在一个实施方案中2至大约16个碳原子，在一个实施方案中2至大约14个碳原子，在一个实施方案中2至大约12个碳原子，在一个实施方案中2至大约10个碳原子，在一个实施方案中2至大约8个碳原子，在一个实施方案中2至大约6个碳原子，在一个实施方案中2至大约4个碳原子。这些物质包括乙烷，丙烷，异丙烷，丁烷，异丁烷，戊烷，己烷，庚烷，辛烷，壬烷，癸烷，以及类似的物质。
该不饱和脂肪族化合物包括含2至大约20个碳原子的烯烃或亚烃(alkylenes)，在一个实施方案中2至大约18个碳原子，在一个实施方案中2至大约16个碳原子，在一个实施方案中2至大约14个碳原子，在一个实施方案中2至大约12个碳原子，在一个实施方案中2至大约10个碳原子，在一个实施方案中2至大约8个碳原子，在一个实施方案中2至大约6个碳原子，在一个实施例中2至大约4个碳原子。这些化合物包括乙烯；丙烯；1-丁烯；2-丁烯；异丁烯；1-戊烯；2-戊烯；3-甲基-1-丁烯；2-甲基-2-丁烯；1-己烯；2，3-二甲基-2-丁烯；1-庚烯；1-辛烯；1-壬烯；1-癸烯；以及类似的物质。
该不饱和脂肪族化合物可包括多烯。这些化合物包括二烯，三烯，以及类似的物质。这些化合物可含有每个分子3至大约20个碳原子，在一个实施方案中3至大约18个碳原子，在一个实施方案中3至大约16个碳原子，在一个实施方案中3至大约14个碳原子，在一个实施方案中3至大约12个碳原子，在一个实施方案中3至大约10个碳原子，在一个实施方案中4至大约8个碳原子，在一个实施方案中4至大约6个碳原子。例子包括1，2-丙二烯(也称为丙二烯)；1，3-丁二烯；2-甲基-1，3-丁二烯(也称为异戊二烯)；1，3-戊二烯；1，4-戊二烯；1，5-己二烯；2，4-己二烯；2，3-二甲基-1，3-丁二烯；以及类似的物质。
该烷基或亚烃基取代的芳香族化合物可以含有一个或多个烷基或亚烃基取代基。这些化合物可以是单环的(例如苯基)或多环的(例如萘基)。这些化合物包括烷基取代的含1至大约20个碳原子的一个或多个烷基基团的芳香族化合物，在一个实施方案中1至大约18个碳原子，在一个实施方案中1至大约16个碳原子，在一个实施方案中1至大约14个碳原子，在一个实施方案中1至大约12个碳原子，在一个实施方案中1至大约10个碳原子，在一个实施方案中1至大约8个碳原子，在一个实施方案中2至大约6个碳原子，在一个实施方案中2至大约4个碳原子。这些化合物也包括亚烃基取代的含2至大约20个碳原子的一个或多个亚烃基基团的芳香族化合物，在一个实施方案中2至大约18个碳原子，在一个实施方案中2至大约16个碳原子，在一个实施方案中2至大约14个碳原子，在一个实施方案中2至大约12个碳原子，在一个实施方案中2至大约10个碳原子，在一个实施方案中2至大约8个碳原子，在一个实施方案中2至大约6个碳原子，在一个实施方案中2至大约4个碳原子。例子包括甲苯，邻二甲苯，间二甲苯，对二甲苯，1，2，3-三甲基苯(hemimellitene)，1，2，4-三甲基苯(pseudocumene)，1，3，5-三甲基苯(mesitylene)，连四甲苯，异杜烯，杜烯，五甲基苯，六甲基苯，乙苯，正丙基苯，异丙基苯，正丁基苯，异丁基苯，仲丁(基)苯，叔丁(基)苯，对甲基异丙基苯，苯乙烯，以及类似的物质。
该烃反应物还可进一步包括一种天然油，合成油或其混合物。该天然油包括动物油和植物油(例如，蓖麻油，猪油)以及诸如液体石油的矿物油。来源于煤或页岩的油可以使用。合成油包括烃油，诸如聚合或互聚化烯烃，聚苯，烷化联苯酯，烷化联苯硫化物，以及类似的物质。热羟基(thermal hydroxyl group)被酯化，醚化等修饰的环氧烷烃(alkylene oxide)聚合物和互聚物及其衍生物，构成了另一类已知的可用作该烃反应物的合成油。可用作该烃反应物的该合成油包括二羧基酸和不同醇形成的酯。烃反应物可以包括一种聚-阿尔法-烯烃。该烃反应物可以包括一种费-托(Fischer-Tropsch)合成的烃。该烃反应物可从一种在炼油，化学合成，以及类似的过程中产生的工业生产液流中获得。
该烃反应物可以还包括一种通常的液体的烃燃料。这类物质包括馏出燃料诸如汽车汽油，柴油机燃料或燃料油。可以使用来源于植物源，矿物源以及其混合物的烃反应物。这类物质包括来自大豆，油菜籽，棕榈，页岩，煤，沥青沙，以及类似物的烃反应物。
该氧气或氧源可包括分子氧气，空气或其他氧化剂，诸如氮氧化物，它能起一种氧源的作用。该氧源可以是二氧化碳，一氧化碳或一种过氧化物(例如，过氧化氢)。可以使用含有氧气的气态混合物，诸如氧气和空气的混合物，或氧气和一种惰性气体(例如，氦气，氩气等)的混合物或一种稀释气体(例如，二氧化碳，水蒸汽等)。
烃反应物中的碳和氧气的摩尔比可以从大约10:1至大约1:1的范围内，在一个实施方案中大约4:1至大约1:1，在一个实施方案中大约2.4:1至大约1.6:1。
热交换流体可以是任何流体。这些流体包括空气，蒸汽，液态水，气态氮，液氮，其他气体包括惰性气体，一氧化碳，熔融盐，诸如矿物油的油，以及热交换流体，诸如道氏联合碳化物公司(Dow-Union Carbide)生产的道氏热载体A(Dowtherm A)和舍米诺导热油(Therminol)。
热交换流体可以包括一种或多种反应物流。这可以提供过程预热且提高过程的总体热效率。
在一个实施方案中，热交换通道包括过程通道，其中一个吸热反应发生在该过程通道中。这些热交换过程通道可以是微通道。可以在该热交换通道中进行的吸热反应的例子包括蒸气重组(steam reforming)和脱氢反应。一种典型的在微通道反应器中的对流冷却的热流量(heat flux)在大约1至大约10W/cm2的量级上。并入一个同步的吸热反应以提供改善的冷源(heat sink)可以使典型的热流量比对流冷却热流量高大约一个数量级。在微通道反应器中使用同步的放热和吸热反应来进行热交换在申请日为2002年8月15日，专利申请序列号为No.10/222,196的美国专利中被公开，在此作为参考文件列入此处。
在一个实施方案中，热交换流体在其流经热交换通道的时候经历一个相变。除了对流冷却所提供的热移除，该相变提供了对过程微通道的额外的热移除。因为当一种液态热交换流体被蒸发的时候，从过程微通道转移的额外的热量将由该热交换流体需要的蒸发潜热产生。这种相变的一个例子是沸腾的油或水。
本发明方法中的过程微通道140和150的冷却，在一个实施方案中，有利于控制对主要的或所需产物的选择性，因为这种增加的冷却减少或消除了来自具有更高的活化能的不利的平行反应的不需要的副产物的生成。这种冷却的结果，在一个实施方案中，过程微通道140和150的入口处的反应混合物的温度可在该过程微通道的出口处的产物(或产物和未反应的反应物的混合物)温度的大约200℃以内，在一个实施方案中在大约150℃以内，在一个实施方案中在大约100℃以内，在一个实施方案中在大约50℃以内，在一个实施方案中在大约25℃以内，在一个实施方案中在大约10℃以内。
微通道反应器中使用的催化剂可以是适合在过程微通道内的任何大小和几何形状。该催化剂可以是粉碎固体粒子(particulate solids)(例如，小球，粉末，纤维，以及类似物)的形式，其平均颗粒直径为大约1至大约1000μm，在一个实施方案中大约10至大约500μm，在一个实施方案中大约25至大约250μm。该催化剂可以负载在一个多孔结构上，诸如泡沫，毛毡、软填充物或其组合物。术语“泡沫”在此指的是一种结构，该结构具有限定遍及该结构的孔的连续的壁。术语“毛毡”在此指的是一种其间具有间隙空间的纤维结构。术语“软填充物”在此指的是一种缠绕的线绳的结构，像钢丝绒。催化剂可以负载在一个蜂窝状结构上。
该催化剂可以是一种流过(flow-by)结构，诸如一种带有相邻间隙的毛毡，一种具有相邻间隙的泡沫，一种具有间隙的翅片结构，在任何插入基质上的载体涂料(washcoat)，或一种和流动方向平行的具有用于流动的相应间隙的丝网。一个流过结构的例子如图3所示。在图3中，催化剂300包含在过程微通道302中。一个开启的过道304允许流体流经过程微通道302，与催化剂300接触，如箭头306和308所示。
该催化剂可以是流经(flow-through)结构，诸如泡沫，软填充物，小球，粉末，或丝网。一个流经结构的例子如图4所示。在图4中，该流经催化剂400包含在过程微通道402中，流体流经催化剂400，如箭头404和406所示。
该催化剂可以被直接涂覆(washcoat)在过程微通道的内侧壁上，从溶液中生长在壁上，或在一个翅片结构上原位涂覆。该催化剂可以是一单片或多片物理接触的多孔连续材料的形式。在一个实施方案中，该催化剂由一连续材料组成，且具有连续的多孔性，以使分子能扩散通过该催化剂。在该实施方案中，流体流经而不是环绕流过该催化剂。在一个实施方案中，催化剂的横截面积占据过程微通道的横截面积的大约1至大约99％，在一个实施方案中大约10至大约95％。由布朗诺尔-埃米特-泰勒(BET)法测得的催化剂表面积，可大于大约0.5m2/g，在一个实施方案中大于大约2m2/g。
该催化剂可含有一个多孔负载物，在多孔负载物上的一个界面层，以及在界面层上的一种催化剂材料。该界面层可以在负载物上由溶液沉积而成，或者可以用化学蒸汽沉积或物理蒸汽沉积的方法沉积。在一个实施方案中，该催化剂具有一个多孔负载物，一个缓冲层，一个界面层，以及一种催化剂材料。任何上述的层可以是连续的或非连续的斑点或圆点的形式，或具有间隙或孔的层的形式。
该多孔负载物的由水银孔率计测得的孔隙度(porosity)可至少约5％，且平均孔径(孔直径总和除以孔数)大约1至大约1000μm。该多孔负载物可以是一种多孔陶瓷或一种金属泡沫。其他可用的多孔负载物包括碳化物，氮化物，以及复合材料。该多孔负载物的孔隙度可为约30％至约99％，在一个实施方案中大约60％至大约98％。该多孔负载物可以是一种泡沫、毛毡、软填充物，或其组合的形式。金属泡沫的开启单元可以在大约20孔每英寸(ppi)至大约3000ppi的范围内，在一个实施方案中大约20至大约1000ppi，在一个实施方案中大约40至大约120ppi。术语“ppi”指的是每英寸的孔的最大数目(各向同性材料中，测量方向不相关；然而，在各向异性材料中，测量在具有最大孔数的方向上进行)。
缓冲层，当存在的时候，和多孔负载物和界面层相比，可以具有不同的成分和/或密度，在一个实施方案中，其热膨胀系数在多孔负载物和界面层的热膨胀系数之间。该缓冲层可以是一种金属氧化物或金属碳化物。该缓冲层可以有Al2O3，TiO2，SiO2，ZrO2，或其组合组成。Al2O3可以是α-Al2O3，Y-Al2O3，或其组合。α-Al2O3提供了极优的抗氧扩散的优点。该缓冲层可以由两层或更多成份不同的亚层组成。例如，当多孔负载物是金属，例如一种不锈钢泡沫时，可以使用由两种不同成分的亚层组成的缓冲层。第一亚层(和多孔负载物接触)可以是TiO2。第二亚层可以是设置在TiO2上的α-Al2O3。在一个实施方案中，该α-Al2O3亚层是一提供对下面的金属表面起保护作用的致密层。一较不致密的、高表面积界面层，诸如氧化铝，可以作为一催化活性层的负载物沉积。
多孔负载物的热膨胀系数可以和界面层的热膨胀系数不同。在这种情况下，可能需要一层缓冲层，以在两个热膨胀系数之间起过渡作用。缓冲层的热膨胀系数可以通过控制其成分的方法修饰，以获得一个和多孔负载物和界面层的膨胀系数相容的膨胀系数。缓冲层应该没有开口和气泡，以提供对下面的负载物的更好的保护。该缓冲层可以是无孔的。缓冲层的厚度可以小于多孔负载物的平均孔径的一半。缓冲层的厚度可以是大约0.05至大约10μm，在一个实施方案中大约0.05至大约5μm。
本发明的一个实施方案中，可以不用缓冲层而获得充分的黏附以及化学稳定性。在该实施方案中缓冲层可以省略。
界面层可以包括氮化物，碳化物，硫化物，卤化物，金属氧化物，碳，或其组合。界面层为被负载的催化剂提供了高表面积和/或提供了所需的催化剂-负载物相互作用。界面层可以由通常用作催化剂负载物的任何材料组成。界面层可以由一种金属氧化物组成。可以使用的金属氧化物的例子包括，Y-Al2O3，SiO2，ZrO2，TiO2，氧化钨，氧化镁，氧化钒，氧化铬，氧化锰，氧化铁，氧化镍，氧化钴，氧化铜，氧化锌，氧化钼，氧化锡，氧化钙，氧化铝，镧系氧化物，沸石及其组合物。界面层可以用作催化活性层，而不用任何其他的催化活性材料沉积在其上。然而，通常界面层和一种催化活性层组合使用。该界面层也可以由两层或更多层成分不同的亚层组成。界面层的厚度可以小于多孔负载物的平均孔径的一半。界面层的厚度可以在大约0.5至大约100μm的范围内，在一个实施方案中，从大约1至大约50μm。界面层可以是结晶的或无定形的。界面层的BET表面积可以为至少大约1m2/g。
催化剂可以沉积在界面层上。或者，催化剂材料可以和界面层同时沉积。催化剂层可以紧密分散在界面层上。催化剂层“分散”或“沉积”在界面层上包括传统理解，即极小的催化剂颗粒被分散：在负载层(即界面层)表面上，在支持层的裂缝中，以及在负载层的开口孔中。
催化剂可以负载在可位于每一过程微通道中的一个或多个翅片的组装上。例子如图5至图7所示。参见图5，组装翅片500包括安装在覆盖过程微通道508的基本壁506的翅片负载物504上的翅片502。翅片502从翅片负载物504突出，进入过程微通道508的内部。翅片502延伸至并和过程微通道508的上壁510的内表面接触。翅片502之间的翅片通道512为流体以平行于过程微通道508的长度的方向流经过程微通道508提供了过道。每一翅片502在其每一侧上均有一个外表面，该外表面为催化剂提供了负载基础。在本发明方法中，反应混合物流经翅片通道512，和负载在翅片502外表面的催化剂接触，并反应形成产物。除了翅片502a没有一直延伸至微通道508的上壁510的内表面之外，图6显示的组装翅片500a和图5显示的组装翅片500b相似。除了组装翅片500b中的翅片502b的横截面形状是梯形之外，图7显示的组装翅片500b和图5显示的组装翅片500相似。每一翅片的高度可在从大约0.02mm直到过程微通道508的高度的范围内，在一个实施方案中从大约0.02至大约10mm，在一个实施方案中从大约0.02至大约5mm，在一个实施方案中从大约0.02至大约2mm。每一翅片的宽度可在从大约0.02至大约5mm的范围内，在一个实施方案中从大约0.02至大约2mm，在一个实施方案中从大约0.02至大约1mm。每一翅片的长度可以是达过程微通道508的长度的任何长度，在一个实施方案中从大约5mm至大约500cm，在一个实施方案中从大约1cm至大约250cm，在一个实施方案中从大约1cm至大约100cm，在一个实施方案中从大约2cm至大约25cm。每一翅片之间的间隙可以是任何值，且可以在大约0.02至大约5mm的范围内，在一个实施方案中从大约0.02至2mm，在一个实施方案中从大约0.02至1mm。过程微通道508中的翅片数可以在大约1至大约50翅片每厘米过程微通道508的宽度的范围内，在一个实施方案中从大约1至30翅片每厘米，在一个实施方案中从大约1至大约10翅片每厘米，在一个实施方案中从大约1至大约5翅片每厘米，在一个实施方案中从大约1至大约3翅片每厘米。每一翅片的横截面可以是矩形或正方形，如图5和图6所示，或是梯形，如图7所示。当沿其长度方向看时，每一翅片可以是直的，锥形的，或蛇形的形状。翅片可以由能提供足够的强度，体积稳定性和传热特性以允许本过程微通道所需操作的任何材料制成。这些材料包括：钢(例如，不锈钢、碳钢，和类似物)；蒙乃尔合金；英科耐尔合金；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；包含一种或多种聚合物(例如热固性树脂)和玻璃纤维的复合物；石英；硅；或其中的两种或更多种物质的组合。翅片可以由一种Al2O3组成材料制成，诸如一种包含Fe，Cr，Al和Y的合金，或者一种Cr2O3组成材料，诸如一种Ni，Cr和Fe的合金。
催化剂可以包括Rh，Pt，Ni，Cr，Ru，Pd，Os，Ir，或一种其氧化物，或其两种或更多种的混合物。基于一种或多种上述物质的部分氧化催化剂在美国专利5,648,582和6,409,940B1；美国专利申请公开2002/0004450A1，2002/0012624 A1以及2002/0115730 A1；PCT国际公开号WO99/48805，WO 01/80992 A2以及WO 02/066403 A1；以及欧洲专利申请公开号0640561 A1，EP 0725038 A1和EP 0741107 A1中被公开。这些催化剂可以是上述的任何形式或被负载在上述的任何负载结构上。
部分氧化催化剂可以包括沉积在一种陶瓷负载物上的铂或一种其氧化物，如美国专利5,648,582公开的，该专利作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括沉积在一种负载结构上的镍和铑，或其氧化物，该负载结构由以下物质制成：一种尖晶石，一种钙钛矿，氧化镁，一种烧绿石，一种钙铁石，锆磷酸盐，镁稳定的氧化锆，锆稳定的氧化铝，金刚砂，钇稳定的锆，钙稳定的锆，钇铝石榴石，氧化铝，堇青石，ZrO2，MgAl2O，SiO2，或TiO2。这些在美国专利6,409,940 B1中被公开，该专利作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂包括镧系元素促进的铑催化剂，如公开号为2002/0115730A1的美国专利申请公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括一种Ni-Cr、Ni-Co-Cr或Ni-Rh合金，如公开号为2002/0012624A1的美国专利申请公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括负载在陶瓷氧化物纤维上的铑，镍，铬，或其组合，如公开号为2002/0004450A1的美国专利申请公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括负载在高熔点氧化物负载物上的铑，如公开号为WO99/48805的PCT国际申请公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括铑丝网或铑毛毡，如公开号为WO01/80992A2的PCT国际申请公开的，该文献作为参考文件列入此处。部分氧化催化剂可包括一种铑-尖晶石(rhodium-spinel)催化剂，如公开号为WO02/066403A1的PCT国际申请公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括负载在一种具有至少两种阳离子的高熔点氧化物上的VIII族金属(例如，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt)，如EP0640561A1公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括具有一种分层的水滑石类型结构的铑和/或钌，如EP 0725038A1公开的，该文献作为参考文件列入此处。
部分氧化催化剂可包括镍基或钌基催化剂，如EP 0741107A2公开的，该文献作为参考文件列入此处。
该部分氧化催化剂可包括一种如下式所示的组合物
M1 aM2 bM3 cAldOx        (I)
在式(I)中：M1是Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或其两种或两种以上的混合物；M2是Ce，Pr，Tb或其两种或两种以上的混合物；M3是La，Ba，Zr，Mg，Ca或其两种或两种以上的混合物；a是一个在大约0.0001至大约1的范围内的数，在一个实施方案中为0.01至大约1；b是一个在0至大约0.9999的范围内的数，在一个实施方案中为0至大约0.2；c是一个在大约0.0001至大约0.9999的范围内的数，在一个实施方案中为大约0.01至大约0.2；d是一个在大约0.0001至大约0.9999的范围内的数，在一个实施方案中为大约0.1至大约0.9；以及x是为满足存在的元素的化合价要求所需的氧的数；本催化剂被涂布在一种基质或负载在一种泡沫、毛毡、软填充物或翅片上。在一个实施方案中M1是Rh或Ni，在一个实施方案中是Rh。在一个实施方案中M3是La或Mg，在一个实施方案中是La。在一个实施方案中催化剂可以用下式Rh/LaAl11018或Rh/LaAlO3来表示。
在一个实施方案中，制备式(I)所示的催化剂的方法包括如下步骤：(A)在天然的氧化物层上涂覆一层Al2O3以形成处理过的负载结构；(B)煅烧步骤(A)形成的已处理的负载结构；(C)在步骤(B)形成的已煅烧的负载结构表面涂覆一种增进剂或稳定剂，该增进剂或稳定剂包括La，Ba，Zr，Mg，Ca或一种其氧化物或硝酸盐，或其两种或两种以上物质的混合物；(D)煅烧步骤(C)形成的已处理的负载结构；(E)在步骤(D)形成的已煅烧负载结构表面涂覆一种催化性金属或其氧化物或其硝酸盐，该催化性金属包括Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或其两种或两种以上的混合物；以及(F)煅烧步骤(E)形成的已处理的负载结构，以形成负载催化剂。在一个实施方案中，步骤(F)形成的催化剂可以在氢气中被还原。
负载结构可以由一种材料制成，该材料包括：钢；铝；钛；铁；镍；铂；铑；铜；铬；黄铜；一种任何前述金属的合金；一种聚合物；陶瓷；玻璃；一种包含聚合物和玻璃纤维的复合物；石英；硅；或其中的两种或更多种物质的组合。在一个实施方案中负载结构可以由一种包含Fe，Cr，Al和Y的合金制成，而天然氧化物层可包括Al2O3。在一个实施方案中，该负载结构可由一种包含Ni，Cr和Fe的合金制成，而天然氧化物层可包括有Cr2O3。在一个实施方案中，该增进剂或稳定剂可以是La或Mg，在一个实施方案中是La。在一个实施方案中，催化性金属是Rh或Ni，在一个实施方案中是Rh。
该负载结构在步骤(A)之前可以被加热至一个大约300℃至大约1400℃范围内的温度，在一个实施方案中大约700℃至大约1200℃，处理0.1至大约1000小时，在一个实施方案中大约1至大约10小时。当负载结构由金属制成的时候，该热处理步骤有利地提供了在负载结构表面的一层天然氧化物层。
在步骤(A)中，一种包含Al2O3的浆液或一种包含Al2O3的胶体分散系(例如，一种溶胶)可以涂覆在该天然氧化物层上。该浆液可以包含大约1至大约50％重量百分比的Al2O3，达大约20％重量百分比的ZrO2，达大约25％重量百分比的La(NO3)3·6H2O，余下为水。浆液涂覆的厚度可从大约10至100微米。胶体分散系可包含大约1％至大约30％重量百分比的Al2O3，而余下的为水。该胶体分散系涂覆的厚度可为大约1至50微米。
在步骤(B)中已处理的负载结构可以在温度为大约150℃至大约1200℃范围内，在空气中煅烧，在一个实施方案中大约300至大约700℃，煅烧大约0.1至大约1000小时，在一个实施方案中大约1至大约10小时。
在步骤(C)中的含有La(NO3)3的溶液可以用于涂覆在已煅烧的负载结构的表面。
在步骤(D)中已处理的负载结构可以在温度为大约150℃至大约1200℃范围内，在空气中煅烧，在一个实施方案中大约500至大约1100℃，煅烧大约0.1至大约1000小时，在一个实施方案中大约1至大约10小时。
在步骤(E)中的一种含有Rh(NO3)3的成分可以用于涂覆在已煅烧的负载结构的表面。
在步骤(F)中已处理的负载结构可以在温度为大约150℃至大约1200℃范围内，在空气中煅烧，在一个实施方案中大约400℃至大约1100℃，煅烧大约0.1至大约1000小时，在一个实施方案中大约1至大约10小时。
燃烧催化剂可以包含任何燃烧催化剂。这些催化剂包括，例如，诸如Pt，Rh，Pd，Co，Cu，Mn，Fe，Ni的贵金属；任何这些金属的氧化物；钙钛矿(perovskites)和铝酸盐。在一个实施方案中，该燃烧催化剂伴随有一种活性增高增进剂，诸如Ce，Tb或Pr，其氧化物，及其组合物。在一个实施方案中，具有一种和活性催化剂元素或元素组之比为至少大约1:1摩尔比的增进剂，在一个实施方案中增进剂元素以和一种活性催化剂元素的摩尔比(摩尔增进剂:摩尔活性催化剂元素(组))在大约0.5:1至大约10:1的范围内存在。这些催化剂可以是任何形式或被负载在任何上述的负载结构上。
反应物和/或产物和催化剂在过程微通道中的接触时间可以在达大约500毫秒(ms)的范围内，在一个实施方案中从大约0.1ms至大约500ms，在一个实施方案中大约0.1ms至大约400ms，在一个实施方案中大约0.1ms至大约300ms，在一个实施方案中大约0.1ms至大约200ms，在一个实施方案中大约0.1ms至大约100ms，在一个实施方案中大约1ms至大约75ms，在一个实施方案中大约1ms至大约50ms，在一个实施方案中大约1ms至大约25ms，在一个实施方案中大约1ms至大约10ms，在一个实施方案中大约1ms至大约5ms。
反应混合物和产物流经过程微通道的空速(或气体每小时空速)可至少约100hr-1(反应腔室的烃/小时/升的标准升)或至少大约100ml物料/(g催化剂)(hr)。空速可在基于过程微通道容量的大约100至大约2,000,000hr-1的范围内，或从大约100至大约2,000,000ml物料/(g催化剂)(hr)。在一个实施方案中，空速可在大约500至大约1,000,000hr-1，或大约500至大约1,000,000ml物料/(g催化剂)(hr)，在一个实施方案中从大约1000至大约1,000,000hr-1，或从大约1000至大约1,000,000ml物料/(g催化剂)(hr)。
反应混合物进入过程微通道的温度可以在从大约200℃至大约1000℃的范围内，在一个实施方案中大约150℃至大约700℃，在一个实施方案中大约150℃至大约600℃，在一个实施方案中大约200℃至大约600℃。在一个实施方案中温度可以在大约150℃至大约500℃的范围内，在一个实施方案中从大约150℃至大约400℃，在一个实施方案中大约200℃至大约300℃。在一个实施方案中，温度可以在大约335℃至大约1000℃的范围内。
反应混合物和产物在过程微通道中的温度可以在达大约1150℃的范围内，在一个实施方案中达大约1100℃，在一个实施方案中达大约1050℃，在一个实施方案中达大约1000℃，在一个实施方案中达大约950℃，在一个实施方案中达大约900℃，在一个实施方案中达大约850℃，在一个实施方案中达大约800℃，在一个实施方案中达大约750℃，在一个实施方案中达大约700℃。
进入过程微通道的反应混合物的压力可至少大约0.1个大气压，在一个实施方案中至少大约0.5个大气压。在一个实施方案中压力可在从大约0.1至大约100个大气压的范围内，在一个实施方案中从大约0.5至大约50个大气压，在一个实施方案中从大约1至大约40个大气压，在一个实施方案中从大约1至大约35个大气压。
反应物和/或产物流经过程微通道时的压降可以在达大约2个大气压每米过程微通道长度(atm/m)的范围内，在一个实施方案中达大约1atm/m，在一个实施方案中达大约0.5atm/m，在一个实施方案中达大约0.2atm/m。
经过程微通道的反应物和/或产物的流动可以是平流或不稳流动(transition)，在一个实施方案中是平流。经过程微通道的反应物和/或产物的流动的雷诺数达大约4000，在一个实施方案中达大约2300，在一个实施方案中在大约10至大约2000的范围内，在一个实施方案中大约100至大约1500。
进入热交换通道的热交换流体的温度可以在大约-70℃至大约650℃，在一个实施方案中从大约0℃至大约500℃，在一个实施方案中从大约100℃至大约300℃。热交换流体流出热交换通道的温度可在大约-60℃至大约630℃，在一个实施方案中大约10℃至大约490℃。热交换流体在热交换通道中的滞留时间可在大约1至大约1000ms，在一个实施方案中大约1至大约500ms，在一个实施方案中大约1至大约100ms。热交换流体在流经热交换通道时的压降可在大约0.05至大约50psi/ft，在一个实施方案中从大约1至大约25psi/ft。热交换流体流经热交换通道的流动可以是层流或不稳流动，在一个实施方案中是层流。热交换流体流经热交换通道的流动的雷诺数可达大约4000，在一个实施方案中达大约2300，在一个实施方案中在大约10至大约2000的范围内，在一个实施方案中大约10至大约1500。
流出微通道反应器的产物的温度可在大约100℃至大约1000℃的范围内，在一个实施方案中大约200℃至大约800℃，在一个实施方案中大约300℃至大约600℃。产物可以冷却至一个在大约50℃至大约300℃范围内的温度，在一个实施方案中大约50℃至大约200℃，在一个实施方案中大约50℃至大约150℃，在一个实施方案中大约50℃至大约100℃，在大约5ms至大约100ms的时间内，在一个实施方案中大约5至大约75ms，在一个实施方案中大约5至大约50ms，在一个实施方案中大约10至大约50ms。
本发明方法的优势包括：烃反应物，氧气或氧源，和催化剂之间的接触最大化；以及不利反应的最小化。
本发明方法的优势包括过程强化的可能性。现有技术的常规方法常在反应物稀释的条件下进行，以防止失控反应，而本发明方法，如果需要的话，可以在导致更大产量的更强烈的条件下进行。通过组合催化性微通道处理和热交换，有可能在通常会导致高温和丧失选择性的烃物料/氧气比率下操作，但是用通过热交换快速移去热量的方法，过程微通道的温度可以维持在相对低的温度下，例如，低于700℃，在一个实施方案中低于大约600。℃，在一个实施方案中低于大约500℃，因而最大化对所需产物的选择性。
本发明方法的优势包括由于微通道反应器的尺寸而提高反应的选择性。在传统的尺寸的反应器中，在气相中均匀增长(propagate)的反应对于产物的总体成分起了总要的作用。这些反应易于无选择性而且通常导致不需要的副产物的产生，诸如CO和CO2或烃高温分解产物。例如，如果反应混合物中含有丙烷，完全和部分氧化反应以及高温分解反应可以发生，导致乙烷和甲烷的产生。
烃反应物的转化水平可为大约50％或更高，在一个实施方案中大约60％或更高，在一个实施方案中大约70％或更高，在一个实施方案中大约80％或更高。
所需产物的选择性水平可大约为30％或更高，在一个实施方案中大约50％或更高，在一个实施方案中大约60％或更高，在一个实施方案中大约70％或更高，在一个实施方案中大约80％或更高，在一个实施方案中大约85％或更高，在一个实施方案中大约90％或更高，在一个实施方案中大约95％或更高。在一个实施方案中，所需产物的选择性水平可在大约50％至大约95％的范围内，在一个实施方案中大约75％至大约95％。
所需产物的产率可为每循环大约9％或更高，在一个实施方案中每循环大约20％或更高，在一个实施方案中每循环大约40％或更高，在一个实施方案中每循环大约50％或更高，在一个实施方案中每循环大约70％或更高，在一个实施方案中每循环大约80％或更高，在一个实施方案中每循环大约90％或更高。在此使用的术语“循环”指的是反应物单次通过过程微通道。
在一个实施方案中，烃反应物的转化水平至少大约30％，所需产物的选择性水平至少大约30％，所需产物的产率每循环至少大约9％。
在一个实施方案中，该过程在一个含有多个并行操作的热交换通道的一个反应器中进行，热交换流体流经热交换通道的总压降达大约10个大气压，在一个实施方案中达大约5个大气压，在一个实施方案中达大约2个大气压。
实施例1
La2O3稳定的Al2O3通过使用一种如下所述的溶胶-凝胶(Sol-gel)法合成。在烧杯中将24.7g丁氧基铝(aluminum butoxide)以不断搅拌溶解在74.5g2-丁醇中。在另一个烧杯中，将4.0g La(NO2)3·6H2O以不断搅拌溶解在59.7g乙醇中。将两种溶液混合并搅拌15min随后在混合物中缓慢加入4.4g去离子水。将所得的溶液加热到80-100℃，并在该温度下保持2小时。在这段时间内酒精被蒸发掉。所得的固体在120℃下过夜干燥，并在空气中于1000℃煅烧24小时，其加热和冷却的速率为4℃/min。所得的材料具有22wt.％ La2O3和78wt.％ Al2O3。其BET表面积和孔容量分别为64m2/g和0.35cm3/g。粉碎该固体，选择88-150微米的颗粒作为催化剂负载物。
Rh/La2O3-Al2O3催化剂通过如下所述的初湿含浸法(incipientwetness impregnation)制备。将0.96g10wt.％Rh(NO)3溶液滴到0.8gLa2O3-Al2O3颗粒上。在120℃干燥1小时后，在500℃下在空气中煅烧该样品1小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。重复该含浸过程一次。在800℃下煅烧该催化剂1小时。Rh装载量是8.0wt.％。
将30mg催化剂装载到一个管反应器中，以测试对甲烷的部分氧化反应的活性。该催化剂在使用前用H2在450℃下还原30min。以3.4标准升每分钟(SLPM)流入的气体成分含有29.6％的CH4和70.4％的空气(CH4/O2＝2/1)。气体每小时空速(GHSV)是5.8×106h-1。CH4转化率通过甲烷在反应前后的流量差计算。CO选择性通过[CO]/([CO]+[CO2])获得，H2选择性通过[H2]/([H2]+[H2O])计算。在管壁(tube skin)温度为700℃下，获得了88％的CH4转化率，97％的CO选择性以及91％的H2选择性。O2的转化率是100％。
实施例2
La2O3稳定的Al2O3通过使用一种如下所述的溶胶-凝胶法合成。在烧杯中将24.7g丁氧基铝以不断搅拌溶解在74.5g2-丁醇中。在另一个烧杯中，将4.0g La(NO3)3·6H2O以不断搅拌溶解在59.7g乙醇中。将两种溶液混合并搅拌15min。随后在混合物中缓慢加入4.4g去离子水。将所得的溶液加热到80-100℃，并在该温度下保持2小时。在这段时间内酒精被蒸发掉。所得的固体在120℃下过夜干燥，并在空气中于1000℃煅烧24小时，其加热和冷却的速率为4℃/min。所得的材料具有22wt.％La2O3和78wt.％Al2O3。其BET表面积和孔容量分别为64m2/g和0.35cm2/g。粉碎该固体，选择88-150微米的颗粒作为催化剂负载物。
Rh/La2O3-Al2O3催化剂通过如下所述的初湿含浸法(incipientwetness impregnation)制备。将0.96g10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到0.8gLa2O3-Al2O3颗粒上。在120℃干燥1小时后，在500℃下在空气中煅烧该样品1小时，加热和冷却速率为3.5℃/min。重复该含浸过程一次。在1000℃下煅烧该催化剂1小时。Rh装载量是8.0wt.％。
将30mg催化剂装载到一个管反应器中，以测试对甲烷的部分氧化反应的活性。该催化剂在使用前用H2在450℃下还原30min。以3.4SLPM流入的气体成分含有29.6％的CH4和70.4％的空气(CH4/O2＝2/1)。GHSV是5.8×106h-1。管壁温度为700℃。获得了90％的CH4转化率，97％的CO选择性以及87％的H2选择性。O2的转化率是100％。该过程进行了260小时。结果在图8中公开。
这些测试结果显示了该催化剂非常稳定。如图8所示，CH4转化率，CO选择性以及H2选择性在260小时反应时间(time-on-stream)内基本不变。这些结果表明该Rh/La2O3-Al2O3催化剂对于甲烷以极高的空速转化至CO和H2的部分氧化反应具有高度活性。
实施例3
图7显示了可用于在一个过程微通道中进行部分氧化反应的一个翅片的几何形状。该翅片的梯形形状提供了在翅片基部的机械刚性。所有的翅片都被负载在矩形基部上，以提高翅片的传热性能。该翅片用线割法(wire EDM method)由FeCrAlY构成。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 0.0050.002
翅片间隔在基部在顶端 0.0120.017
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7.2g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。球磨(ball-milled)该混合物8小时。在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g25wt.％的Al2O3溶胶(萨索尔(Sasol)14N4-25)。
将FeCrAlY翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h后冷却至室温，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。煅烧后产生致密的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。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。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装载量是4.8mg每翅片。
在1个大气压下，在一小片(pellet)中测试翅片负载催化剂用于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金属棒，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用于测试。在该隧道的每一侧设有气体紧密连接。反应物流经管道流入该隧道，并流经该隧道和翅片负载催化剂接触。将该小片置于一个炉子中。炉子的温度升高并保持小片的中长(mid-length)处外表面温度为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(Capsuhelic)差压表(Capsuhelic differential pressure gauge)测量。产物的成分用两柱气相色谱仪分析。翅片负载催化剂的性能根据CH2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小时的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
燃料成分 29.6％CH<sub>4</sub>，
 
70.4％的空气
燃料接触时间 3.3ms
CH<sub>4</sub>转化率(在850℃) 85％
H<sub>2</sub>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4
在部分氧化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。通过减少翅片的数目增加了流动面积。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，如图7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。翅片被负载在矩形负载物或基部上以提升翅片的传热性能。翅片由FeCrAlY制备。该翅片用线割法制备。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 0.020”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7.2g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。球磨该混合物8小时。在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g25wt.％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后冷却至室温，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。浆液填充量是6.0mg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。该翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1h。Rh装载量是1.0mg每翅片。
在1个大气压下，在如实施例3所述的小片中测试所得的翅片负载催化剂用于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。炉子的温度调节至并保持小片的中长处外表面温度为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。产物的成分用两柱气相色谱仪分析。在CH2转化率，H2选择性和CO选择性方面测试翅片的性能。下表概括了在115小时的操作后翅片的催化剂性能。
 
参数 值
涂层类型 粉末浆液载体涂料
燃料成分 29.6％CH<sub>4</sub>，70.4％的空气
燃料接触时间 3.3ms
CH<sub>4</sub>转化率(在850℃) 78％
H<sub>2</sub>选择性(在850℃) 93％
CO选择性(在850℃) 93％
压降 2.8psi
实施例5
用锯切法(saw-cut method)制备一FeCrAlY翅片，并测试其催化剂性能。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。球磨该混合物8小时。在4.2g浆液中通过不断搅拌加入0.8g25wt.％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后冷却至室温，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。浆液填充量是18.7mg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。该翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧4h。Rh装载量是3.2mg每翅片。
在1个大气压下，在如实施例3所述的小片中测试所得的翅片负载催化剂用于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2373ml/min(标准条件)。接触时间是3.3ms。炉子的温度调整至并保持小片的中长处外表面温度为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。产物的成分用两柱气相色谱仪分析。在CH4转化率，H2选择性和CO选择性方面测试翅片的性能。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
燃料成分 29.6％CH<sub>4</sub>，70.4％的空气
燃料接触时间 3.3ms
CH<sub>4</sub>转化率(在850℃) 75％
H<sub>2</sub>选择性(在850℃) 72％
CO选择性(在850℃) 91％
压降 2.1psi
实施例6
一个和实施例5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后冷却至室温，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17mgAl2O3每翅片的填充量。通过浸渍将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。该翅片在空气中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装载量是5.2mg每翅片。
在1个大气压下，用如实施例3所述的小片测试所得的翅片负载催化剂用于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。炉子的温度调整至并保持小片的中长处外表面温度为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。产物的成分用两柱气相色谱仪分析。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
燃料成分 29.6％CH<sub>4</sub>，70.4％的空气
燃料接触时间 3.3ms
CH<sub>4</sub>转化率(在800℃) 71％
H<sub>2</sub>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。产物的气体成分用四柱气相色谱仪分析。炉子的温度调整至并保持小片的中长处外表面温度为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
燃料成分 7.5％CH<sub>4</sub>，7.5％正丁烷，85％的空气
燃料接触时间 3.3ms
CH<sub>4</sub>转化率(在800℃) 60％
正丁烷转化率(在800℃) 76％
H<sub>2</sub>选择性(在800℃) 77％
CO选择性(在800℃) 82％
压降 1.0psi
实施例7
一个和实施例3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后冷却至室温，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4至5次直至达到22mg Al2O3每翅片的填充量。通过浸渍将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。该翅片在空气中120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1h。Rh装载量是1.5mg每翅片。
在1个大气压下，用如实施例3所述的小片测试所得的翅片负载催化剂用于将甲烷转化成CO和H2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2030ml/min(标准条件)。炉子的温度调整至并保持小片的中长处外表面温度为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。接触时间是3.3ms。小片中的用卡布许里克差压表测量的压降是3.7psi(磅/平方英寸)。产物的成分用两柱气相色谱仪分析。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。结果如图9所示。
测试结果显示该催化剂是稳定的。如图9所示，CH4转化率，C0选择性以及H2选择性在840小时反应时间内基本不变。
实施例8
制造一个焊接的英科耐尔合金反应器以测试甲烷的燃烧性能。该反应器包括两个平行的用于燃烧的通道。每一通道0.160英寸宽，0.025英寸高。反应器的长度是7.00英寸。由通道之间的0.060英寸的横肋(rib)将该通道隔开。在燃烧通道的一侧，设置有一对完全相同的通道(称之为空气通道)，用作流通燃料燃烧所需的空气。燃烧和空气通道通过一个带12个圆形孔(0.012英寸直径)的孔板隔开，该孔沿反应器长度方向间隔排列以向燃料散布空气。这些孔被非均匀间隔以在燃烧通道中散布空气。第一孔设置在反应器的起始位置。随后的孔在距离第一孔的以下距离处设置：0.252英寸，0.555英寸，0.905英寸，1.304英寸，1.751英寸，2.248英寸，2.794英寸，3.393英寸，4.047英寸，4.760英寸，和5.528英寸。在燃烧通道的另一侧，设置有一运送流体的单一热交换通道，以起燃烧热量的散热器(sink)的作用。该通道0.380英寸宽0.012英寸高。通道的长度和燃烧通道的长度相同。不同通道的排列如图10所示。
燃烧通道用溶液涂覆的方法涂覆有一种燃烧催化剂。该装置首先在1000℃下在空气中煅烧1小时，以在表面产生一层氧化铬(chromia)层。加热和冷却速率是3.5℃/min。随后，将含有5.7wt.％Pd(NO3)2和43wt.％Ce(NO3)3·6H2O的溶液滴到通道上。过量的溶液被压缩空气吹去。被涂覆的通道然后在100℃干燥1小时。重复该Pd涂覆过程两次。该涂覆的通道然后在空气中于850℃下煅烧1小时。
用于燃烧的燃料是甲烷。甲烷在燃烧通道中的总流量是1.0标准升每分钟(SLPM)。在空气通道中的总空气流量是11.5SLPM。在和燃料混合前，将空气预热至反应器温度。热量散热器由蒸汽甲烷重整反应提供。散热器通道(称之为SMR通道)涂有一种蒸汽甲烷重整(SMR)催化剂。1.09SLPM和2.63立方厘米(cc)水蒸汽的混合物流经SMR通道。SMR通道中流体流动的入口温度在800℃至850℃之间。燃烧通道的平均温度在850℃至925℃之间。根据燃烧通道的容量，接触时间是4.4ms。在燃烧通道中的甲烷的转化率计算如下：
CH4转化率(％)＝(VCH4，进-VCH4，出)/(VCH4，进)×100
对于燃烧催化剂，甲烷在平均温度为862℃时的转化率为30.6％。对该装置而言，平均9.3W/cm2被转移到SMR反应中。燃烧通道之间的压降在2.5至5.0psi之间。
实施例9
制造另一个焊接的英科耐尔合金反应器以用一种负载部分氧化催化剂测试燃烧性能。除了总部分氧化和燃烧通道长度之外，该装置和实施例8使用的微通道反应器具有相同的燃烧和空气通道尺寸。一个锯齿状的金属薄片被用作一个翅片，如图11所示。在该两个部分氧化和燃烧通道的开始，采用了两个翅片。部分氧化和燃烧通道的总长度为8.5英寸，以容纳该翅片，其中翅片长1.5英寸，且随后的燃烧通道长7英寸。该翅片由FeCrAlY制造。该翅片的尺寸归纳在下表之中。
 
尺寸
总体长度 1.500英寸
总体宽度 0.180英寸
总体高度 0.022英寸
翅片厚度 0.002英寸
每英寸的翅片数 60
翅片涂覆有一种部分氧化催化剂，以将甲烷在燃烧前转化成CO和H2。该翅片在异丙醇中用超声清洗20min。在100℃下干燥1h后冷却至室温，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。同时，制备一种用于涂覆的含有Al2O3和ZrO2的浆液。在一个容器中，混合10gZrO2粉末，55g去离子H2O，1.2ml浓硝酸和200g直径为3mm的Al2O3珠子。然后球磨该混合物2天。此后，搅拌混合2.0gZrO2浆液，0.54g伽马-Al2O3粉末，0.46gLa(NO3)3·6H2O和0.5gH2O。该为酸性伽马Al2O3的Al2O3被研磨至小于53微米的粉末。随后，上述的Al2O3-ZrO2浆液通过浸渍涂覆在翅片上。该浆液涂覆的翅片于120℃干燥1小时，然后在1000℃煅烧1小时，其加热和冷却速率为3.5℃/min。浆液装载量是6.4mg每翅片。然后，将10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到翅片上，多余的溶液用压缩空气吹去。最后，浆液涂覆的催化剂在空气中于120℃干燥1小时，然后在500℃煅烧1h。Rh装载量是0.6mg每翅片。
在燃烧通道中，为把空气分散进燃料中的孔板通过增加孔数至17和引入非圆形孔的方法进行了改进。第一孔设置在燃烧通道中的部分氧化区域以后0.01英寸(”)至0.20英寸之间的一个距离上。第一孔由带有直径为0.012英寸的半圆形末端的矩形狭槽组成。该狭槽的最长长度在流体流动的方向上。第二孔的形状是边长为0.012英寸的等边三角形，并设置在距第一孔0.133英寸的距离上。第三和第四孔的直径是0.012英寸，设置在距第一孔0.267英寸的距离上。第五孔还是一个设置在距第一孔0.386英寸的三角形狭槽。第6至15孔是直径为0.012英寸的圆形孔，且设置在距离第一孔为0.594英寸，0.769英寸，0.969英寸，1.168英寸，1.615英寸，2.112英寸，2.658英寸，3.257英寸，3.257英寸，3.857英寸，4.624英寸的位置上。第十六和十七孔是直径为0.012英寸的孔，位于距第一孔5.392英寸的位置。这些孔的式样提供了一个为0.5的理想的氧气当量比(oxygen equivalence ratio)，该氧气当量比的定义是：
ξ02＝Y02/(Y02+Y02，化学计量)
其中YO2是氧气的摩尔分数(mole fraction)而Y02，化学计量是完全燃烧所需的化学计量的氧气的摩尔分数。
燃烧通道涂覆有燃烧催化剂。该装置首先在空气中于1000℃煅烧3h，以在表面产生一层氧化铬层。加热和冷却速率是3.5℃/min。将10wt.％Rh(NO3)3溶液滴到燃烧通道上，多余的溶液用压缩空气吹去。在空气中于100℃干燥1小时后，在800℃煅烧被涂覆的通道1h。随后，将含有5.7wt.％Pd(NO3)2和43wt.％Ce(NO3)3·6H2O的溶液滴到通道上。过量的溶液被压缩空气吹去。被涂覆的通道然后在100℃干燥1小时。重复该Pd涂覆过程一次。该涂覆的通道然后在1000℃煅烧1小时。最后，将10wt.％Pt(NH3)4(NO3)2溶液滴到通道上。在100℃干燥1小时后，在空气中于900℃煅烧被涂覆的通道1小时。
测试带一体化的部分氧化和燃烧反应的反应器的性能。两个燃烧通道中的甲烷总流量是1.33SLPM。甲烷预先和空气混合，以在部分氧化通道中的CH4:O2比为2:1。空气在空气通道中的总流量是10.9SLPM。空气在混合进燃料之前被预热到反应器温度。散热由一个蒸汽甲烷重组反应提供。散热器通道(称之为SMR通道)涂有一种蒸汽甲烷重整(SMR)催化剂。2.18SLPM和5.27立方厘米(cc)水蒸汽的混合物流经SMR通道。SMR通道中流体流动的入口温度在800℃至850℃之间。部分氧化区域的平均温度在750℃至800℃之间而燃烧区域的平均温度在850℃至925℃之间。根据燃烧通道的容量，燃烧通道的接触时间是4.5ms。总甲烷转化率为92.2％，和无部分氧化催化剂相比增加了61.6％。这表明部分氧化非常有助于甲烷的燃烧。对该装置而言，平均18.8W/cm2被转移到SMR反应中。燃烧通道内的压降在2.5至5.0psi之间。
虽然本发明通过不同的具体的实施方案解释，应该理解，在阅读了本说明书之后，本发明的不同的改变对本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应该理解，在此公开的本发明意在涵盖落在附后的权利要求的范围内的此类改变。

Claims (89)

1.一种在微通道反应器中将烃反应物转化成包含CO和H2的产物的方法，所述微通道反应器包括多个过程微通道和在所述多个过程微通道内的一种部分氧化催化剂，所述方法包括：
(A)在所述多个过程微通道内混合一种包含烃反应物的反应物混合物和氧气或氧源，并在反应条件下使所得到的混合物在所述多个过程微通道中流动，且与所述部分氧化催化剂接触从而在一个部分氧化反应中形成产物，该微通道反应器包括一个为流体进入过程微通道提供一个流动过道的集管，一个为流体离开过程微通道提供一个流动过道的脚管，该烃反应物包括甲烷，反应混合物在过程微通道中的接触时间达500毫秒，过程微通道内的反应混合物和产物的温度达1150℃，烃反应物的转化率至少50％；该微通道反应器还包括和该过程微通道热接触的热交换通道，该热交换通道包括微通道，所述过程微通道向该热交换通道传递热量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(A)中形成的产物是一个中间产物，该方法还包含在步骤(A)之后的下述额外步骤：
(B)该步骤(A)形成的中间产物在反应条件下流经一个和一种燃烧催化剂接触的微通道反应器，以形成包含CO2和H2O的最终产物。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该反应混合物还包含H2O而产物还包含H2，CO和CO2。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该反应混合物在步骤(A)之前被预热。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于每一过程微通道具有一个达10mm的宽度或高度的内尺寸。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于每一过程微通道都具有一个入口，一个出口以及一个在入口和出口之间延伸的延长部分，该过程微通道还含有至少一个在该延长部分的额外入口，通过该至少一个额外入口进入该过程微通道的至少一种反应物。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于该过程微通道由包括以下材料的一种材料制成：铝；钛；镍；铜；一种任何前述金属的合金；钢；一种聚合物；陶瓷；玻璃；一种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。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于每一热交换通道具有一个达10mm的宽度或高度的内尺寸。
9.如权利要求1所述的方法，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：铝；钛；镍；铜；一种任何前述金属的合金；钢；一种聚合物；陶瓷；玻璃；一种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。
10.如权利要求7或9任一项所述的方法，其特征在于所述合金包括蒙乃尔合金、英科耐尔合金以及黄铜。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过该至少一个额外入口进入该过程微通道的至少一种反应物包括氧气或氧源。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃反应物还包括：一种脂肪族化合物，一种芳香族化合物，或一种其混合物。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃反应物还包括一种每分子含2至20个碳原子的烷烃。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括乙烷，丙烷，异丙烷，丁烷，异丁烷，一种戊烷，一种己烷，一种庚烷，一种辛烷，一种壬烷，一种癸烷，或其两种或更多种物质的混合物。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物包括天然气。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种含2至20个碳原子的烯烃。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括乙烯；丙烯；1-丁烯；2-丁烯；异丁烯；1-戊烯；2-戊烯；3-甲基-1-丁烯；2-甲基-2-丁烯；1-己烯；2，3-二甲基-2-丁烯；1-庚烯；1-辛烯；1-壬烯；1-癸烯；或其两种或更多种物质的混合物。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种含3至20个碳原子的多烯。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括1，2-丙二烯；1，3-丁二烯；2-甲基-1，3-丁二烯；1，3-戊二烯；1，4-戊二烯；1，5-己二烯；2，4-己二烯；2，3-二甲基-1，3-丁二烯；或其两种或更多种物质的混合物。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种烷基或亚烃基取代的芳香族化合物。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括甲苯，邻二甲苯，间二甲苯，对二甲苯，1，2，3-三甲基苯，1，2，4-三甲基苯，1，3，5-三甲基苯，连四甲苯，异杜烯，杜烯，五甲基苯，六甲基苯，乙苯，正丙基苯，异丙基苯，正丁基苯，异丁基苯，仲丁苯，叔丁苯，对甲基异丙基苯，苯乙烯；或其两种或更多种物质的混合物。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种天然油，合成油，或其混合物。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种馏出燃料。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括石脑油，或燃料油。
25.权利要求24所述的方法，其特征在于该燃料油为柴油机燃料，煤油或汽油。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种来源于植物源，矿物源或其混合物的烃。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种来源于大豆，油菜籽，棕榈，页岩，煤，沥青沙，或其两种或更多种物质的混合物的烃。
28.如权利要求1所述的方法，其特征在于该氧源包括空气。
29.如权利要求1所述的方法，其特征在于该烃化合物还包括一种稀释材料。
30.如权利要求1所述的方法，其特征在于该过程微通道和一种流经该热交换通道的热交换流体进行热交换。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于该热交换流体当其流经该热交换通道时经历一个相变。
32.如权利要求1所述的方法，其特征在于该过程微通道被一个在该热交换通道中进行的吸热化学反应冷却。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于该吸热化学反应包括一个蒸汽重整反应或一个脱氢反应。
34.如权利要求1所述的方法，其特征在于该反应混合物在第一方向上流经该过程微通道，而一种热交换流体在第二方向上流经该热交换通道，该第二方向相对于该第一方向是错流。
35.如权利要求1所述的方法，其特征在于该反应混合物在第一方向上流经该过程微通道，而一种热交换流体在第二方向上流经该热交换通道，该第二方向相对于该第一方向是并流。
36.如权利要求1所述的方法，其特征在于该反应混合物在第一方向上流经该过程微通道，而一种热交换流体在第二方向上流经该热交换通道，该第二方向相对于该第一方向是逆流。
37.如权利要求1所述的方法，其特征在于一种热交换流体流经该热交换通道，该热交换流体包括空气，蒸汽，液态水，二氧化碳，气态氮，液氮，一种气态烃或一种液态烃。
38.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂是以粉碎固体粒子的形式存在。
39.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂被负载在一种负载结构上，制备该负载结构的材料包括一种包含Ni，Cr和Fe的合金，或一种包含Fe，Cr，Al和Y的合金。
40.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂被负载在一种具有一种旁侧流过结构，一种穿流通过结构，或一种蛇形结构的负载结构上。
41.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂被负载在一种具有一种泡沫，毛毡，软填充物，翅片，或其两种或更多种的组合的结构的负载结构上。
42.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂被负载在一种负载结构上，该负载结构具有一种带一相邻间隙的旁侧流过结构，一种带一相邻间隙的泡沫结构，一种带间隙的翅片结构，一种在基质上的载体涂料，或一种具有用于流体流动的间隙的丝网结构。
43.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂被负载在一种具有包含至少一个翅片的一组装翅片的形式的负载结构上。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于该组装翅片包含多个平行间隔的翅片。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于该组装翅片具有一个外表面且一种多孔材料覆在至少该翅片的部分外表面上，该催化剂由该多孔材料负载。
46.如权利要求43所述的方法，其特征在于该多孔材料包括一种涂层，纤维，泡沫或毛毡。
47.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片具有一外表面和多种纤维或从该翅片的至少一部分外表面延伸的突出，该催化剂由该突出负载。
48.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片具有一外表面且催化剂是：被涂覆在该翅片的至少一部分外表面上；从溶液中生长在该翅片的至少一部分外表面上；或用蒸汽沉积的方法被沉积在该翅片的至少一部分外表面上。
49.如权利要求43所述的方法，其特征在于该组装翅片包含多个平行间隔的翅片，至少其中一个翅片的长度和其余翅片的长度不同。
50.如权利要求43所述的方法，其特征在于该组装翅片包含多个平行间隔的翅片，至少其中一个翅片的高度和其余翅片的高度不同。
51.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片具有一个是正方形或矩形形状的横截面。
52.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片具有一个是梯形形状的横截面。
53.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片由包括下列材料的一种材料制成：铝；钛；铁；镍；铂；铑；铜；铬；一种任何前述金属的合金；一种聚合物；陶瓷；玻璃；一种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。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于所述合金包括钢和黄铜。
55.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片由一种包括Ni，Cr和Fe的合金，或一种包括Fe，Cr，Al和Y的合金制成。
56.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片由Al2O3组成的材料制成。
57.如权利要求43所述的方法，其特征在于该翅片由Cr2O3组成的材料制成。
58.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂包括Rh，Pt，Ni，Cr，Ru，Pd，Os，Ir，或其氧化物，或其两种或更多种物质的混合物。
59.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂包含一种由下式代表的成分
M1 aM2 bM3 cAldOx
其中，
M1是Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或一种其两种或两种以上物质的混合物；
M2是Ce，Pr，Tb或一种其两种或两种以上物质的混合物；
M3是La，Ba，Zr，Mg，Ca或一种其两种或两种以上物质的混合物；
a是一个在0.0001至1的范围内的数；
b是一个在0至0.9999的范围内的数；
c是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；
d是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；以及
x是为满足存在的元素的化合价要求所需的氧的数；
该催化剂被涂布在该过程微通道的内壁上，或负载在一种位于该过程微通道内部的泡沫、毛毡、软填充物或翅片上。
60.如权利要求2所述的方法，其特征在于该燃烧催化剂包括一种贵金属或一种其氧化物，一种钙钛矿或一种铝酸盐。
61.如权利要求60所述的方法，其特征在于该燃烧催化剂还包括Ce，Tb或Pr，或一种其氧化物，或其两种或更多种物质的混合物。
62.如权利要求2所述的方法，其特征在于该燃烧催化剂包括Pt，Rh，Pd，Co，Mn，Fe，Ni，或一种其氧化物，或其两种或更多种物质的混合物。
63.如权利要求1所述的方法，其特征在于反应混合物和/或产物与催化剂的接触时间从0.1毫秒至100秒。
64.如权利要求1所述的方法，其特征在于反应混合物进入过程微通道的温度在200℃至1000℃的范围内。
65.如权利要求1所述的方法，其特征在于反应混合物进入过程微通道的压力在0.1至100个大气压的范围内。
66.如权利要求1所述的方法，其特征在于反应混合物和产物流经过程微通道的空速至少100hr-1。
67.如权利要求1所述的方法，其特征在于反应混合物和产物流经过程微通道的压降达2个大气压每米该过程微通道的长度。
68.如权利要求1所述的方法，其特征在于一种热交换流体流经该热交换通道，该热交换流体流经该热交换通道的总压降达10个大气压。
69.一种用于权利要求1所述方法的部分氧化催化剂，所述催化剂包含由下式代表的一种成分
M1 aM2 bM3 cAldOx
其中，
M1是Rh，Ni或其混合物；
M2是Ce，Pr，Tb或一种其两种或两种以上物质的混合物；
M3是La，Ba，Zr，Mg，Ca或一种其两种或两种以上物质的混合物；
a是一个在0.0001至1的范围内的数；
b是一个在0至0.9999的范围内的数；
c是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；
d是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；以及
x是为满足存在的元素的化合价要求所需的氧的数；
该催化剂位于微通道内且被涂布在一种基质上或负载在一种泡沫、毛毡、软填充物或翅片上。
70.如权利要求69所述的催化剂，其特征在于M1是Rh。
71.如权利要求69所述的催化剂，其特征在于M3是La或Mg。
72.一种用于权利要求1所述方法的部分氧化催化剂，所述催化剂由下式代表的一种成分组成
RhaLacAldOx
其中，
a是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；
c是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；
d是一个在0.0001至0.9999的范围内的数；以及
x是为满足存在的元素的化合价要求所需的氧的数，并且所述催化剂位于微通道内。
73.一种制备负载的部分氧化催化剂的方法，所述催化剂可用于权利要求1所述的方法，用于制备所述催化剂的方法包括：
(A)在至少部分负载结构上涂敷一层Al2O3层，其中所述负载结构具有天然氧化物层，且一种包含Al2O3的浆液或胶体分散系被涂敷在该天然氧化物层上；
(B)煅烧由步骤(A)形成的已处理的负载结构；
(C)在步骤(B)形成的已煅烧负载结构表面涂敷一种增进剂或稳定剂，以形成一种已处理的负载结构，该增进剂或稳定剂包括La，Ba，Zr，Mg，Ca，或一种其氧化物或硝酸盐，或一种其两种或两种以上物质的混合物；
(D)煅烧步骤(C)形成的已处理的负载结构；
(E)在步骤(D)形成的已煅烧负载结构表面涂敷一种催化性金属或其氧化物或其硝酸盐，以形成一种已处理的负载结构，该催化性金属包括Rh，Ni，Pd，Pt，Ru，Co或其两种或两种以上物质的混合物；以及
(F)煅烧步骤(E)形成的已处理的负载结构，以形成负载催化剂。
74.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(F)中形成的负载催化剂被氢气还原。
75.如权利要求73所述的方法，其特征在于该负载结构由包括如下的材料的一种材料制成：铝；钛；铁；镍；铂；铑；铜；铬；一种任何前述金属的合金；一种聚合物；陶瓷；玻璃；一种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。
76.如权利要求75所述的方法，其特征在于所述合金包括钢和黄铜。
77.如权利要求71所述的方法，其特征在于该负载结构由一种包含Fe，Cr，Al和Y的合金制成，并且该天然氧化物层包括Al2O3。
78.如权利要求73所述的方法，其特征在于该负载结构由一种包含Ni，Cr和Fe的合金制成，并且该天然氧化物层包括Cr2O3。
79.如权利要求73所述的方法，其特征在于该增进剂或稳定剂包括La或Mg。
80.如权利要求73所述的方法，其特征在于该增进剂或稳定剂包括La。
81.如权利要求73所述的方法，其特征在于该催化性金属包括Rh。
82.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(A)之前该负载结构被加热至一个在300℃至1400℃范围内的温度0.1至1000小时。
83.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(B)中该已处理的负载结构在一个150℃至1200℃范围内的温度下被煅烧0.1至1000小时。
84.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(C)中一种包含La(NO3)3的溶液被涂敷在该已煅烧的负载结构的表面上。
85.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(D)中该已处理的负载结构在一个150℃至1200℃范围内的温度下被煅烧0.1至1000小时。
86.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(E)中一种包含Rh(NO3)3的成分被涂敷在该已煅烧的负载结构的表面上。
87.如权利要求73所述的方法，其特征在于在步骤(F)中该已处理的负载结构在一个150℃至1200℃范围内的温度下被煅烧0.1至1000小时。
88.如权利要求1所述的方法，其特征在于该催化剂由化学式Rh/LaAl11O18或Rh/LaAlO3代表。
89.如权利要求72所述的催化剂，其特征在于该催化剂由化学式Rh/LaAl11O18或Rh/LaAlO3代表。
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