特表 2024-539511 不均一系触媒反応器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-28

(54)【発明の名称】不均一系触媒反応器

(51)【国際特許分類】

   B01J 8/02 20060101AFI20241018BHJP

   B01J 23/755 20060101ALI20241018BHJP

   C01B 32/40 20170101ALI20241018BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

B01J8/02 E

B01J23/755 M

C01B32/40

C01B3/38

B01J8/02 C

B01J8/02 D

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024548514

(86)(22)【出願日】2022-03-01

(85)【翻訳文提出日】2024-06-18

(86)【国際出願番号】 US2022018266

(87)【国際公開番号】W WO2023069128

(87)【国際公開日】2023-04-27

(31)【優先権主張番号】63/257,980

(32)【優先日】2021-10-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524152229

【氏名又は名称】ディメンショナル・エナジー・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＥＮＥＲＧＹ，ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100221501

【弁理士】

【氏名又は名称】式見 真行

(74)【代理人】

【識別番号】100221589

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 俊博

(72)【発明者】

【氏名】ブレナン，ブラッドリー ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】サルフィ，ジェイソン

(72)【発明者】

【氏名】ブランズ，ハワード エム

(72)【発明者】

【氏名】ガダ，ミヒル

【テーマコード（参考）】

4G070

4G140

4G146

4G169

【Ｆターム（参考）】

4G070AA01

4G070AB04

4G070BA08

4G070BB02

4G070CA01

4G070CA09

4G070CA12

4G070CA21

4G070CB02

4G070CB08

4G070CB17

4G070CB18

4G070CC02

4G070DA21

4G140EA03

4G140EA05

4G140EA06

4G140EB23

4G146JA01

4G146JB04

4G146JC02

4G146JC18

4G146JC22

4G169AA03

4G169AA20

4G169BA01A

4G169BC31A

4G169BC68A

4G169BC72A

4G169BC75A

4G169CB02

4G169CB07

4G169CB81

4G169CC17

4G169CC21

4G169CC29

4G169DA06

4G169EA02Y

4G169EA04Y

4G169EA06

4G169EE09

(57)【要約】

不均一系触媒反応器とその使用方法。反応器は、使用中に反応器の軸方向の長さに沿って温度勾配を確立するのに役立つ熱伝達機能を含む。本発明の反応器はまた、所与の種類の触媒材料が、改善されたまたは最適な触媒性能を提供するであろう温度に配置されるように、反応器内に配置された２つ以上の異なる種類の触媒材料を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長さと幅を有する筐体であって、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在し、前記筐体は内部反応容積を画定する、筐体と、
前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの入口であって、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路を画定する、前記少なくとも１つの入口と、
前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に向かって延在する少なくとも１つの導管であって、戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管と直接流体連通し、前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの出口であって、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの出口と、
前記内部反応容積内に配置された少なくとも２種の触媒材料と、を含む不均一系触媒反応器。

【請求項2】

前記筐体の前記長さは、前記筐体の前記幅よりも大きい、請求項１に記載の反応器。

【請求項3】

前記導管から前記内部反応容積内に延在する１つ以上のバッフルをさらに含む、請求項１または２に記載の反応器。

【請求項4】

１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第１部分に延在し、１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第２部分に延在し、
前記内部反応容積の前記第１部分に延在する前記１つ以上のバッフルの総表面積は、前記内部反応容積の前記第２部分に延在する前記１つ以上のバッフルの総表面積よりも大きい、請求項３に記載の反応器。

【請求項5】

１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第１部分に延在し、１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第２部分に延在し、
前記内部反応容積の前記第１部分に延在する前記１つ以上のバッフルのピッチは、前記内部反応容積の前記第２部分に延在する前記１つ以上のバッフルのピッチとは異なる、請求項３に記載の反応器。

【請求項6】

前記１つ以上のバッフルは、前記導管の長さに沿ってスパイラル形状を形成する、請求項３～５のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項7】

前記導管の内腔は、前記導管内を移動する流体の流体対流または前記導管への熱伝導、を増加させるための１つ以上の特徴を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項8】

前記１つ以上の特徴は、バンプ、ディンプル、隆起部、平行な溝、ランダムパターン、発泡体、バッフル、またはライフリングパターンからなる群から選択される、請求項７に記載の反応器。

【請求項9】

前記１つ以上の特徴は、前記導管の内壁面によって画定されるか、または前記導管の内腔内に配置された１つ以上の構造によって画定される、請求項７または８に記載の反応器。

【請求項10】

前記少なくとも１つの導管の遠位端に配置されたフィルタをさらに含み、前記フィルタは、触媒材料が前記導管に入るのを防ぐように構成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項11】

前記戻り流路は触媒材料を有していない、請求項１～１０のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項12】

触媒材料は、前記少なくとも１つの導管の遠位部分内に充填される、請求項１～９のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項13】

前記少なくとも１つの導管は第１導管および第２導管を含み、前記第１導管および前記第２導管の各々は、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項14】

前記少なくとも１つの導管は、第１導管、第２導管および第３導管を含み、前記第１導管、前記第２導管および前記第３導管の各々は、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項15】

前記第１導管、前記第２導管および前記第３導管の各々の近位端は、マニホールドに取り付けられ、前記マニホールドは前記少なくとも１つの出口に取り付けられている、請求項１４に記載の反応器。

【請求項16】

前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部は、スパイラル形状に構成されている、請求項１～１５のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項17】

少なくとも２種かつ３０以下の異なる種の触媒材料が前記内部反応容積内に充填されている、請求項１～１６のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項18】

一連の触媒ゾーンは、前記筐体の前記長さに沿って前記内部反応容積内に所定の連続順序で配置されている、請求項１７に記載の反応器。

【請求項19】

各触媒ゾーンは、他の触媒ゾーンに見られる触媒材料の種と比較して異なる単一種の触媒材料のみを含む、請求項１８に記載の反応器。

【請求項20】

前記触媒材料は触媒担体上または触媒担体内に配置されている、請求項１７～１９のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項21】

前記触媒担体は、アルミナ、炭化ケイ素材料、窒化ホウ素材料、ステアタイト、シリカ、アルカリ金属酸化物材料、アルカリ土類酸化物材料、窒化アルミニウム材料、酸窒化アルミニウム材料、またはそれらの組み合わせ、からなる群から選択される材料を含む、請求項２０に記載の反応器。

【請求項22】

触媒粒子は炭化ケイ素または窒化ホウ素の多孔質コーティングを含む、請求項２０または２１に記載の反応器。

【請求項23】

前記触媒材料の間に配置された複数の不活性フィラー粒子をさらに含む、請求項１７～２２のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項24】

前記不活性フィラー粒子は、炭化ケイ素、アルミナ、窒化ホウ素、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、およびそれらの複合物、からなる群から選択される材料を含む、請求項２３に記載の反応器。

【請求項25】

前記筐体はセラミック材料で構成されている、請求項１～２４のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項26】

前記筐体は、炭化ケイ素、炭化ケイ素複合材料、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、またはそれらの組み合わせ、で構成されている、請求項２５に記載の反応器。

【請求項27】

前記筐体は、アルミナ－炭化ケイ素複合体である、請求項２６に記載の反応器。

【請求項28】

前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部はセラミック材料で構成されている、請求項１～２７のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項29】

前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部は、炭化ケイ素、アルミナ、またはそれらの複合物で構成されている、請求項２８に記載の反応器。

【請求項30】

前記少なくとも１つの導管の近位部分または前記少なくとも１つの出口は、セラミック材料に固定された金属材料で構成されている、請求項２９に記載の反応器。

【請求項31】

前記金属材料は、接着剤で前記セラミック材料に固定されている、請求項３０に記載の反応器。

【請求項32】

前記筐体の少なくとも前記遠位部分、または前記少なくとも１つの導管の少なくとも遠位部分は、アルミナイド、アルミナ、アルミナ／炭化ケイ素複合材料、窒化ホウ素材料、ムライト、窒化ケイ素材料、希土類ケイ酸塩材料、または希土類アルミン酸塩材料からなる群から選択される材料でコーティングされている、請求項１～３１のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項33】

反応生成物の製造方法であって、
長さと幅を有する筐体であって、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在し、前記筐体は内部反応容積を画定する、筐体と、
前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの入口であって、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路を画定する、前記少なくとも１つの入口と、
前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に延在する少なくとも１つの導管であって、戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管と直接流体連通し、前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの出口であって、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの出口と、
前記内部反応容積内に配置された少なくとも２種の触媒材料と、
を含む不均一系触媒反応器を提供する工程；
前記筐体の内部反応容積の前記長さに沿って熱勾配を確立する工程、ここで前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積の温度は、前記筐体の前記近位部分によって画定される前記内部反応容積の温度よりも高い;
前記内部反応容積を通して前記筐体の前記遠位部分に向けて１つ以上の反応物を導く工程、ここで前記１つ以上の反応物は第１触媒材料および第２触媒材料と接触し、前記１つ以上の反応物が前記筐体の前記長さに沿って進むにつれて、前記１つ以上の反応物の温度が上昇し、前記反応生成物が生成される；
前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積から、前記少なくとも１つの導管内に、前記反応生成物を導く工程；
前記戻り流路に沿って前記筐体の前記近位部分に向けて前記反応生成物を導く工程、ここで、前記反応生成物が前記筐体の前記近位部分に向けて導かれるとき、前記戻り流路内の前記反応生成物から前記内部反応容積内の前記１つ以上の反応物に熱が伝達される；および
前記少なくとも１つの出口を通して前記反応器の外に前記反応生成物を導く工程；
を含む製造方法。

【請求項34】

前記１つ以上の反応物は、二酸化炭素、水素、およびメタンのうちの１つ以上を含む、請求項３３に記載の方法。

【請求項35】

前記１つ以上の反応物は流体を含む、請求項３３または３４に記載の方法。

【請求項36】

前記１つ以上の反応物はガスを含む、請求項３５に記載の方法。

【請求項37】

前記反応生成物は、一酸化炭素、水素、および水のうちの１つ以上を含む、請求項３３～３６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項38】

前記熱勾配が確立された後、前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積の前記温度が７５０℃～１４００℃である、請求項３３～３６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項39】

前記熱勾配が確立された後、前記筐体の前記近位部分によって画定される前記内部反応容積の前記温度が５０℃～７５０℃である、請求項３３～３８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項40】

前記内部反応容積は、それぞれ異なる種の触媒材料を含み且つ前記熱勾配に沿って所定の連続順序で配置された一連の触媒ゾーンを含み、各種の触媒材料はその触媒ゾーンの反応条件下で理論最大変換率の少なくとも50%の反応物変換率を提供する、請求項３３～３９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項41】

前記内部反応容積は少なくとも３つ且つ３０未満の触媒ゾーンを含み、各触媒ゾーンは他の触媒ゾーンの触媒材料とは異なる種類の触媒材料を含む、請求項４０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（背景技術）
化学産業及びエネルギー産業は原料として化石燃料に依存しており、世界のプラスチック及び燃料の大部分は化石燃料から生産されている。例えば、航空業界は二酸化炭素を大量排出しており、２０１９年には約１ギガトンの二酸化炭素を放出した（世界の年間排出量の約２．８％）。航空にはエネルギー密度の高い燃料(energy-dense fuels)が必要であり、バッテリー駆動(battery-powered)の商用飛行の見通しは、少なくとも今後数十年間は現実的ではない。航空による二酸化炭素排出量を削減するためのいくつか取り組みには、大気中の二酸化炭素または人工の二酸化炭素源から燃料を生成することが含まれる。

【0002】

航空機への動力供給(powering)を含む、産業上の利用可能性を有する燃料を生成するための改良された装置、システム、および方法が必要とされている。

【発明の概要】

【0003】

本発明は、不均一系触媒反応器（又は異種触媒反応器：heterogenous catalytic reactors）およびその使用方法を対象とする。

【0004】

いくつかの実施形態では、本発明は、筐体（又は容器：encasement）、少なくとも１つの入口、少なくとも１つの導管、少なくとも１つの出口、および複数の触媒ゾーンを含む、不均一系触媒反応器を含む。前記筐体は長さ、幅、および深さを有し、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在する。前記筐体は内部反応容積を画定する。前記少なくとも１つの入口は、前記筐体の前記近位部分内にあるか、または前記筐体の前記近位部分を通って延在し、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路(a reactant flow channel)を画定する。前記少なくとも１つの導管は、前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に向かって延在する。前記少なくとも１つの導管は、戻り流路(a return flow channel)の一部を画定し、前記筐体の近位部分を通って延在する。前記少なくとも１つの出口は、前記戻り流路の一部を画定する。少なくとも２つの触媒材料が前記内部反応容積内に充填される。

【0005】

さらなる実施形態において、本発明は、１つ以上の反応生成物を生成する方法を含む。これらの本発明の方法には、本明細書に記載されるような不均一系触媒反応器を提供することと、１つ以上の反応物を前記反応器に導く（又は向ける：directing）ことが含まれる。さらに、本方法は、前記反応器の前記筐体内の前記内部反応容積の前記長さに沿って熱勾配を確立することを含んでもよく、前記筐体の遠位部分によって画定される内部反応容積の温度は、前記筐体のより近位の部分によって画定される前記内部反応容積の温度よりも高い。本方法はまた、１つ以上の反応物を前記反応器の少なくとも１つの入口を通して、前記反応器内に保持された第１の触媒材料との接触に導くことを含む。本方法はまた、前記１つ以上の反応物を、前記内部反応容積を通して前記筐体の遠位部分に向けて導くことを含み、前記１つ以上の反応物は、前記反応器の前記筐体の前記内部反応容積の前記長さに沿って進むにつれて温度上昇する。前記１つ以上の反応物はまた、前記反応器の前記筐体の前記内部反応容積の前記長さに沿って進むにつれて、１つ以上の反応生成物も生成する。さらに、本方法は、前記反応生成物を前記内部反応容積から前記少なくとも１つの導管に導くことを含む。さらに、本方法は、前記反応生成物を戻り流路に沿って前記筐体の前記近位部分に導くことを含む。本方法はまた、前記反応生成物が導管に沿って前記反応器の近位部分に移動するときに、前記反応生成物から前記内部反応容積内の１つ以上の反応物に熱を伝達することを含む。本方法はまた、前記反応生成物を前記少なくとも１つの出口を通して前記反応器の外に導くことを含む。

【0006】

本概要は、本開示の主題の概要を提供することを目的としている。それは、本発明の排他的または網羅的な説明を提供することを意図したものではない。詳細な説明は、本願に関するさらなる情報を提供するように含まれている。

【0007】

（図面の簡単な説明）
図面では、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないが、異なる図において同様の符号は同様の構成要素を表す場合がある。図面は、限定ではなく例として、本明細書で論じられる様々な実施形態を一般的に示す。

【0008】

図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ、本発明の反応器の側面図および分解図（又は分解組立図：an exploded view）を示す。

【0009】

図１Ｃおよび１Ｄは、本発明の反応器の導管の上面断面図を示す。

【0010】

図１Ｅは、本発明の反応器の戻り流路の遠位部分の一実施形態の側面斜視図を示す。

【0011】

図２Ａおよび２Ｂはそれぞれ、バッフルを含む本発明の実施形態の側断面斜視図を示す。

【0012】

図３Ａは、本発明の反応器の一実施形態の側断面図を示す。

【0013】

図３Ｂは、本発明の反応器の一実施形態の側断面図を示す。

【0014】

図４Ａは、本発明の反応器の１バージョン(又は一態様：one version）の側面図を示す。

【0015】

図４Ｂおよび４Ｃは、それぞれ、本発明の反応器のアセンブリの側面斜視図および上面図を示す。

【0016】

図５Ａは、本発明の導管の斜視図を示す。

【0017】

図５Ｂおよび５Ｃはそれぞれ、本発明の反応器の側面図を示す。

【0018】

図６Ａは、本発明の方法のフローチャートを示す。

【0019】

図６Ｂは、本発明の反応器の側断面図を示す。

【0020】

図７Ａ～図７Ｈは、導管、および、該導管とそこに流れる流体との間の熱交換を増加させるための特徴（又は機構：features）、を含む本発明の様々な実施形態を示す。

【0021】

図８は、内部反応容積内に配置された複数の異なる触媒材料を含む本発明の反応器の側断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

（発明の詳細な説明）
本発明は、不均一系触媒反応器およびその使用方法を対象とする。本発明の反応器は、持続可能な炭化水素燃料の製造に使用する前駆体の生成に特に有用である。例えば、本発明の反応器は、逆水ガスシフト反応（「ＲＷＧＳ反応」）を用いて持続可能な航空燃料（ＳＡＦ）の前駆体を生成するために使用できる。ＲＷＧＳ反応は、式１に示す反応に従って、二酸化炭素と水素を一酸化炭素と水に変換する：

ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ（式１）

【0023】

ＲＷＧＳ反応の効率は、反応温度の上昇とともに向上する。本発明の反応器は、先行技術の反応器設計と比較して熱効率が向上し、比較的高温でＲＷＧＳ反応（および他の種類の化学反応）を行うことができる。

【0024】

本発明の反応器は、式２に示す乾式メタン改質(reforming)反応を行うのにも有用である。

ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２（式２）

【0025】

本発明の反応器は、式３に示される蒸気メタン改質反応を行うのにも有用である。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２（式３）

【0026】

本明細書で使用されるとき、「触媒」、「触媒材料」などの用語は、化学反応が他の方法で可能であるよりも速い速度で、または異なる条件下（例えば、より低い温度）で進行することを可能にする材料を指す。本発明の触媒は、２つ以上の触媒材料と他の不活性材料との混合物を含んでもよい。本発明で使用される触媒材料は、所望の形状またはサイズに形成することができる。

【0027】

本明細書で使用されるとき、「触媒ゾーン(catalyst zone)」または「触媒のゾーン(catalytic zone)」という用語は、同一または類似の動作温度、同一または類似の動作圧力、および／または、同一または類似の触媒材料の存在などの、１つ以上の共通の環境特性を示す内部反応容積の部分を指す。

【0028】

本明細書で使用されるとき、「直接流体連通」という語句は、流体が中間の構造または場所を通って流れるまたは移動することを必要とせずに、第１の構造または場所から第２の構造または場所に流れる能力を指す。

【0029】

本明細書で使用されるとき、「遠位」という用語は、基準点（例えば、取り付け点、原点、または中心点）から離れて位置する本発明の特徴または態様を指し、一方、「近位」という用語は、その基準点の近くに位置する本発明の特徴または態様を指す。特段の指示がない限り、本明細書で使用される基準点は、一般に、入口ポートおよび出口ポートを含む本発明の反応器の端部である。例えば、入口ポートおよび出口ポートを含む本発明の反応器の端または部分は、本明細書では反応器の「近位端」または「近位部分」と称され得る一方、反応器の反対側の端または部分（入口ポートおよび出口ポートは含まない端）は、「遠位端」または「遠位部分」と称され得る。

【0030】

本明細書で使用されるとき、「流体(fluid)」又は「流体(fluids)」という用語は、液体、超臨界流体、気体、またはスラリーを指す。

【0031】

本明細書で使用されるとき、「間接(indirect)流体連通」という語句は、流体が第１の構造または場所から第２の構造または場所に流れる能力を指すが、それは流体が最初に中間の構造または場所を通って流れるまたは移動して、第２の構造または場所に到達する場合に限られる。

【0032】

本発明の反応器は「バヨネット(bayonet)」設計を有しており、反応物および生成物は同じ端部またはその近くから反応器に出入りし、反応器の長さに沿って互いに対向流（又は逆流：a counter-current flow）で移動する。さらに、本発明の反応器は、使用中に反応器の長さに沿って温度勾配が確立され得、反応器の一端（例えば近位端）が反応器の反対側の端（例えば、遠位端）の動作温度よりも低い温度で動作し得るように設計される。いくつかの場合では、反応物は本発明の反応器のより冷たい端から入り、生成物は当該冷たい端から出ていき、それによって高価な熱交換器の必要性がなくなるか、または減少する。これらの概念は本明細書でさらに詳細に説明されるが、簡単に言えば、図４Ａは、反応器４００の形態における本発明の反応器の１つのバージョンの側面図を示す。図４Ａは、バヨネット設計の反応器流路および本発明の反応器内に確立できる温度勾配をよりよく説明するために反応器４００の主要な構成要素の一部のみを示す。当業者であれば、図４Ａには示されていないが本明細書の他の場所に記載されている本発明の反応器の構成要素が反応器４００の実施形態に同様に適用可能であることを容易に認識するであろう。

【0033】

反応器４００は、筐体４０２、入口４０６、および出口４０８を含む。筐体４０２は、反応器４００の内部構造をよりよく示すために、図４Ａでは部分的に半透明(translucent)として示されている。筐体４０２は、一般に管状の形状であり、その内壁が内部反応容積４０４を画定している。筐体４０２は一般に管状の形状であるが、他の実施形態では、本発明の筐体は、角柱、六角形、または内部反応容積内の熱の分離を促進するであろう任意の他の幾何学的形状などの、他の形状をとる。筐体４０２は、遠位部分４２２と、遠位部分４２２の反対側の近位部分４２４も含む。内部反応容積４０４は、触媒反応が発生して反応物を生成物に変換する反応器４００の部分または領域である（触媒材料は図４Ａに図示されていない）。内部反応容積４０４も、戻り導管４１０の外壁によって画定される。戻り導管４１０は、筐体４０２内に配置され、筐体４０２の長さの大部分に及ぶ。戻り導管４１０の近位端は、出口４０８に取り付けられるか、または出口４０８に対して固定され、戻り導管４１０の遠位端は、筐体４０２の遠位端またはその近くに配置される。集合的に、戻り導管４１０の内壁および出口４０８は戻り流路を画定する。

【0034】

反応器４００の流体流路に関して、使用中に、１つ以上の流体反応物が、方向４１２に沿って入口４０６を通って反応器４００の近位部分に導かれる。次いで、反応物は、一般に方向４１４に沿って、反応器４００の長さに沿って且つ反応器４００の遠位部分に向かって内部反応容積４０４を通って移動する。内部反応容積４０４を通って移動する間に、反応物は不均一系触媒材料と接触し、触媒反応を受けて、１つ以上の生成物（例えば、１つ以上の流体生成物）を生成する。反応器４００の遠位部分に入ると、反応物および／または形成された反応生成物は、概して方向４１６に従って戻り流路に入り、戻り導管４１０の遠位端に通される。戻り導管４１０及び戻り流路には触媒材料が存在しないため、反応物および／または反応生成物が戻り導管４１０に入ると、反応物から生成物への触媒変換は減少するか停止する。反応物及び／又は反応生成物は、次いで、方向４１８に沿って戻り導管４１０を通って反応器４００の近位端に向かって戻り流路に沿って逆流し、出口４０８を介して方向４２０に沿って反応器４００から出る。

【0035】

本発明の反応器の温度勾配の態様に関して、反応器４００は、近位部分４２４の動作温度よりも高い温度で動作する遠位部分４２２を含む。図４Ａは、反応器４００の右側に、使用中に反応器４００内に存在し得る動作温度勾配の例を示す、例示的な温度プロファイルを含む。反応器４００の近位部分４２４は比較的低い温度（約１００℃）で動作しているが、内部反応容積４０４の動作温度は反応器４００の長さに沿って着実に上昇し、反応器４００の遠位部分４２２は比較的高い温度（～１０００℃）で動作している。図４Ａに示される温度プロファイルは説明のみを目的としており、本発明の反応器内の実際の温度勾配は図４Ａに示されるものとは異なり得る。本発明の反応器内の動作温度勾配は、内部反応容積４０４内で起こる反応によって生成または消費される熱、反応器４００の様々な部分を通って流れる流体間で伝達される熱、および反応器４００から加熱要素または冷却要素を介して加えられるまたは除去される任意の熱の関数(function)であり得る。

【0036】

反応によって生成または消費される熱に関して、内部反応容積４０４内で起こる触媒反応は、本質的に発熱または吸熱であり得る。発熱性の場合、反応によって生成される熱は、反応器４００およびその中の流体の温度を上昇させる傾向があるだろう。逆に、触媒反応が本質的に吸熱性の場合、内部反応容積４０４内で起こる反応は、反応器４００およびその中の流体の温度を低下させる傾向があり得る。

【0037】

反応器４００内を流れる流体間の熱伝達に関して、戻り流路を通って流れる流体は、内部反応容積４０４を通って流れる流体の熱源として作用する。流体が反応器４００の遠位端から近位端まで、戻り導管４１０を通って流れるとき、流体は戻り導管４１０の壁に熱を伝達し、次に、戻り導管４１０はその熱エネルギーを内部反応容積４０４内の流体に伝導する。反応器４００はバッフルまたは触媒材料を示していないが、 本発明の反応器がこれらの特徴を含む場合、戻り導管も熱をバッフルおよび触媒材料およびバッフルに伝導し、その熱は次にバッフルおよび／または触媒材料と接触する流体に伝達されるであろう。このようにして、本発明の反応器は、戻り導管内の比較的高温の流体が戻り導管壁の反対側の内部反応容積内のより冷たい流体に熱を伝達する連続熱伝達プロセスを提供する。例えば、反応物流体が最初に反応器４００に入るとき、反応物流体は戻り導管４１０の近位部分から伝達される熱によって温められる。その加熱された反応物流体が内部反応容積４０４を通って反応器４００の長さを遠位に向かって移動し続けるにつれて、反応物流体は、戻り導管４１０から伝達される熱によって継続的に加熱される。反応物流体が反応器４００の遠位端４２２にある内部反応容積４０４の遠位端に到達すると、反応物流体と、内部反応容積４０４内で生成された任意の生成物流体とが、その最高プロセス動作温度またはそれに近い温度になるだろう。高温の反応物および生成物流体は、戻り導管４１０を通って反応器４００の近位端４２４に向かって戻り、その際に流体は戻り導管４１０の内壁に熱を伝達する。反応物および生成物流体が戻り導管４１０の近位端に到達するとき、流体が戻り導管４１０の長さに沿って移動するにつれて戻り導管４１０および内部反応容積４０４に熱が継続的に伝達されるため、流体はかなり冷却される。

【0038】

反応器４００に加えられる熱、または反応器４００から除去される熱に関して、反応器４００の様々な部分が加熱または冷却され得る。例えば、反応器４００の遠位部分４２２および／または近位部分４２４は、内部熱源または外部熱源から熱を供給されて、熱を加え、および／または反応器４００の内部反応容積４０４内の流体の温度を上昇させることができる。例えば、反応器４００の遠位部分４２２および／または近位部分４２４は、熱を除去するため、および／または反応器４００内の流体の温度を下げるために冷却され得る。

【0039】

複数の本発明の反応器を組み立てて、使用中の反応生成物の生成を増加させることができる。図４Ｂおよび４Ｃは、複数の反応器４００を含むアセンブリ４３０を示す。図４Ｂは、アセンブリ４３０の側面図を示し、一方、図４Ｃは、アセンブリ４３０の上面図を示す。アセンブリ４３０は、六角形に詰めた１０個の反応器（図４Ｂおよび４Ｃでは「反応器４００」として示されている）を含む。各反応器４００の遠位部分４２２は、反応器４００の遠位部分４２２を加熱するために配置された複数の加熱源４３４を含む加熱固定具(heating fixture)４３２内に配置される。各反応器４００の近位部分４２４は、断熱材４３６内に配置され、断熱材４３６によって囲まれ、各反応器４００の近位端のみが断熱材４３６を通って延在している。図４Ｂは、反応器４００と加熱源４３４の配置をより良く示すために、断熱材４３６と加熱固定具４３２を部分的に透明で示している。使用中、反応物は反応器４００の入口４０６を介して各反応器４００に送られる一方、生成物は反応器の出口４０８を介して各反応器４００の外に導かれる。各反応器４００の遠位部分４２２は、加熱源４３４によって加熱され、次に加熱源４３４は、各反応器４００の内部反応容積の遠位部分を所望の温度に加熱する。

【0040】

戻り導管４１０には触媒材料が含まれていないが、いくつかの実施形態では、本発明の反応器は戻り導管の遠位部分内に配置された触媒材料を含む。戻り導管の遠位部分に入る流体は、一般に、最高プロセス温度またはそれに近い温度になる。すなわち、戻り導管の遠位部分内の流体は、一般に、本発明の反応器を通って移動する間に得られるであろう最も高温の温度にある。戻り導管の最も高温の遠位部分内に触媒材料を含むことによって、反応物の熱エネルギーを利用して、反応物の生成物への変換をさらに促進する(drive)ことができる。さらに、戻り導管の遠位部分内に触媒材料を含むと、流体内の乱流が増加し、それによって流体と戻り導管および／または触媒材料の固体表面との間の熱交換が増加する。図８は、容器８０２の内壁と外側壁との間に画定された内部反応容積内に配置された複数の異なる触媒材料８３２、８３４、８３６、および８３８を含む、本発明の実施形態の一例である反応器８００を示す。触媒材料８３８はまた、戻り導管８１０の遠位部分の内腔内に配置される。流体が内部反応容積を通って反応器８００の長さに沿って移動するとき、流体反応物は入口８０６を介して反応器８００に入り、一連の触媒材料８３２、８３４、８３６、および８３８と接触するようになる。筐体８０２の遠位部分８２２において、流体反応物（および結果として生じる生成物流体）は、戻り導管８１０の遠位端８２６に入る。流体反応物は、戻り導管の遠位部分の内腔内に配置された触媒材料８３８と接触し続けるようになる。次いで、流体反応物および結果として生じる流体生成物は、戻り導管８１０の内腔に沿って近位方向に移動し続け、最終的に出口８０８を介して反応器８００を出る。

【0041】

いくつかの実施形態では、触媒材料は、戻り導管の遠位部分、例えば戻り導管によって画定される戻り流路の長さの最遠位の１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２１％、２２％、２３％、２４％、２５％、又は２５％超内に配置される。

【0042】

図１Ａおよび１Ｂは、不均一系触媒反応器１００の形態における本発明の別の実施形態を示す。図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ、不均一系触媒反応器１００の側面図および分解図を示す。反応器１００は、内部に反応器シェルまたは筐体１０２を含む。図１Ａは、筐体１０２を特定の内部特徴とともに示すが、図示の内部構成要素または特徴は想像線(in phantom)で示されている（例えば、戻り導管１１０およびバッフル１１２）。

【0043】

筐体１０２は、長軸（又は主軸：major axis）１１４、長さＬ、および幅Ｗを有するほぼ円筒形の形状である。筐体１０２は、円筒形本体１２４、近位キャップ１１６、および遠位キャップ１２０を含む。円筒形本体１２４は、反応器１００の長さＬの大部分を形成し、近位キャップ１１６は、反応器１００の近位部分１１８の一端を画定する。遠位キャップ１２０は、反応器１００の遠位部分１２２の端を画定する。

【0044】

近位キャップ１１６は、入口１０６および出口１０８の形態の２つのポートを含む。反応器１００は、１つの入口および１つの出口のみを有するように示されているが、いくつかの実施形態では、本発明の反応器は、複数の出口および／または入口（例えば、２、３、４、５、６、７、８、または８つを超える入口および／または出口）を含む。

【0045】

入口１０６は、１つ以上の反応種が通過または流れることができるチャネルを画定し、反応器１００の近位部分１１８内に画定される内部反応容積１０４の部分と直接流体連通する。出口１０８は、１つ以上の生成物種が通過したり、反応器１００から流出したりできる戻り流路の少なくとも一部を画定する。出口１０８は、戻り導管１１０の近位端と直接流体連通する。

【0046】

内部反応容積１０４は、１つ以上の反応生成物への反応物の化学変換を促進または容易にするために、１つ以上の反応物が１つ以上の種類の触媒材料（図１Ａおよび１Ｂには示されていない）と接触する反応器１００内の空間または容積である。内部反応容積１０４は、筐体１０２の内壁と戻り導管１１０の外壁によって画定され、反応器１００の長さＬの大部分にわたって長軸１１４に沿って延在する。近位部分１１８では、内部反応容積１０４は入口１０６と直接流体連通する。遠位部分１２２では、内部反応容積１０４は戻り導管１１０の遠位端と直接流体連通する。

【0047】

バッフル１１２は、戻り導管１１０から内部反応容積１０４内に延在する。バッフル１１２は、戻り導管１１０の外側に巻き付き、反応器１００の長さLの少なくとも一部にわたって、長軸１１４の周囲の半径方向、および長軸１１４に沿って軸方向、の両方に延在するヘリカル状（又は螺旋状：helical）またはねじ山のような(screw thread-like)スパイラル状（又は螺旋状：spiral）を形成する。バッフル１１２は、ｉ）内部反応容積１０４を通って導かれる流体内の対流(convection)を増大させ、それによって内部反応容積１０４を通って流れる流体の温度勾配を減少させる（例えば、筐体１０２の幅Ｗに沿って流体の温度勾配を減少させる）、およびｉｉ）戻り導管１１０から内部反応容積１０４を通って導かれる流体および内部反応容積１０４内の任意の固体材料（例えば、触媒および／または内部反応容積１０４内に配置された不活性フィラー粒子またはビーズ）に、熱を伝達することによってヒートシンクとして機能する、ように構成された構造を提供する。このようにして、本発明の反応器のバッフルは、戻り導管内を流れる流体と内部反応容積内を流れる流体との間の熱伝達を増加または改善する。いくつかの実施形態では、本発明の反応器のバッフルは、戻り導管および反応器筐体の内壁から延在するか、またはそれらに接触する。

【0048】

バッフル１１２は、図１Ａでは、戻り導管１１０のほぼ全長にわたって延びる(runs)１本糸(single-thread）ヘリカル形状を有するものとして示されているが、本発明の他の実施形態には、オリフィスバッフルまたはセグメントバッフルなど、異なる形状または構成を有するバッフルの使用が含まれる。例えば、本発明の反応器のいくつかの実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を有するバッフルを含む：ｉ）バッフルは、内部反応容積の長さの１つ以上のサブ部分(sub-portions)に沿って延在するか、またはその周囲に巻き付くことができる、ｉｉ）バッフルは、内部反応容積の長さの１つ以上のサブ部分に沿って変化するヘリカル状ピッチを有してもよい（すなわち、内部反応容積の長さのいくつかの部分に沿ったヘリカル状の巻き数は、内部反応容積の長さの他の部分に沿ったヘリカル状巻きの数と異なっていてもよい）、および／または、バッフルは、内部反応容積の長さのいくつかの部分に沿って可変の厚さまたはヘリカル状フライト幅(helical flight width)を有してもよい（すなわち、内部反応容積の長さの一部分に沿ったヘリカル状バッフルのフライト幅は、内部反応容積の長さの別の部分に沿ったフライト幅と異なっていてもよい）。

【0049】

本発明の反応器のいくつかの実施形態は、内部反応容積の一部に他よりも多くのバッフル表面積を含み得る。内部反応容積の一部分におけるバッフルの総表面積を別の部分に対して変化させることによって、内部反応容積のその部分における熱伝達量を増加または減少させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、本発明の反応器は、内部反応容積の第１部分に延在する１つ以上のバッフルと、内部反応容積の第２部分に延在する１つ以上のバッフルとを含む。内部反応容積の第１部分に延在するバッフルの総表面積は、内部反応容積の第２部分に延在するバッフルの総表面積より大きくてもよく、それによって、内部反応容積の第１部分内の流体および材料と、バッフルが延在する戻り導管の対応する長さ内を移動する流体との間の熱伝達量が増加する。

【0050】

図２Ａは、一連のバッフル２０２を含む本発明の一実施形態の側断面斜視図を示す。バッフル２０２は、筐体２０６内の戻り導管２０４の長さの少なくとも一部に沿って延びる(runs)三重ヘリカル形状に形成される。本発明の反応器におけるバッフル設計の別の例が図２Ｂに示されており、それはバッフル２１０および戻り導管２１２の側面斜視図である（バッフル設計をより良く示すために、バッフル２１０の一部が図２Ｂから省略されていることに留意されたい）。バッフル２１０は、戻り導管２１２の外壁から一本糸ヘリカル形状で延在し、内部反応容積内の流体が通過し得る複数の窓２１４を画定する。窓２１４は、バッフル２１０が本発明の反応器の筐体内に配置されるとき、内部反応容積内に非常に曲がりくねった(torturous)流路を提供する。

【0051】

本発明の反応器は、内部反応容積内に位置した、又は配置された１つ以上の種類の触媒材料を含む。図１Ａおよび１Ｂでは、本発明の反応器の他の部分の明瞭性を向上させるために触媒材料が省略されているが、図３Ａは、内部反応容積内に位置したまたは配置された複数の異なる触媒種を示す反応器３００の側断面図を示す。

【0052】

反応器３００は、筐体３０２を含む。筐体３０２の近位部分３０４は、近位キャップ３０６を含むが、筐体３０２の遠位部分３０８は、遠位キャップ３１０を含む。近位キャップ３０６は、入口３２８および出口３３０を含み、筐体３０２の近位端を画定する。出口３３０は、 戻り導管、または複数の戻り導管を結合するマニホールド（図３Ａには図示せず）に固定され、それらと直接流体連通する。入口３２８は、筐体３０２の内壁および１つ以上の戻り導管の外壁によって境界付けられる内部反応容積と直接流体連通している。

【0053】

反応器３００の内部反応容積は、第１の触媒材料３３２、第２の触媒材料３３４、第３の触媒材料３３６、および第４の触媒材料３３８を含む、４つの異なる種類の触媒材料で満たされている。第１、第２、第３および第４の触媒材料３３２、３３４、３３６および３３８は、球状の粒子またはビーズの形態をとる。

【0054】

反応器３００は、球状粒子またはビーズの形態の触媒材料３３２、３３４、３３６および３３８と共に示されているが、本発明の反応器のいくつかの実施形態は、他の形態または形状を有する触媒材料を含んでもよい。例えば、本発明の反応器は、多孔質ビーズ、ペレット、チューブ、ラシヒリング、スーパーラシヒリング、ポールリング、ビャウエツキリング、押出物、ローブ、サドル、および／または他の形状の形態の１つ以上の触媒材料を含んでもよい。

【0055】

いくつかの実施形態では、触媒材料は、反応物の生成物への変換を補助する１つ以上の種の触媒活性剤を含む。触媒材料中の触媒活性剤の正しい種類は、所定の用途のニーズに依存し得る。潜在的に適切な触媒活性剤のいくつかの非限定的な例としては、ニッケル、ジルコニア、白金、パラジウム、銅、アルカリ金属、アルカリ土類金属、モリブデン、イットリア、炭化モリブデン、亜鉛、鉄、クロム、ランタニド、およびそれらの組み合わせが挙げられる。

【0056】

いくつかの実施形態では、触媒材料は、触媒活性剤がその上または中に配置されるもう１つのタイプの触媒担体（又は支持体：support）材料を含む。触媒材料に使用される担体材料の正しい種類は、所与の用途のニーズに依存し得るが、潜在的に適切な担体材料のいくつかの非限定的な例としては、金属または非金属の窒化物、炭化物、酸化物、酸窒化物、酸炭化物、金属合金、シリカ、アルカリ土類酸化物、アルカリ金属酸化物、ジルコニア、チタニア、およびそれらの組み合わせが挙げられる。潜在的に適切な触媒担体材料のさらなる非限定的な例としては、アルミナ（例えば、アルファ、ベータ、デルタ、シータ、ガンマ、および中間相アルミナ）、炭化ケイ素（例えば、アルファ相またはベータ相炭化ケイ素）、窒化ホウ素（例えば、六方晶系または立方晶系窒化ホウ素）、ムライト、ステアタイト、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、発泡金属または高表面積金属（例えば、ニッケル）、シリコン、複数の金属の合金、およびそれらの複合物が挙げられる。一部の用途では、担体材料自体が触媒活性を有し、反応物の生成物への変換に関与する。

【0057】

第１、第２、第３および第４の触媒材料３３２、３３４、３３６および３３８は、独自の触媒ゾーン内に連続して配置される。第１の触媒材料３３２は、筐体３０２の内部反応容積の長さ３２０を占める第１の触媒ゾーン３１２内に配置される。第２の触媒材料３３４は、筐体３０２の内部反応容積の長さ３２２を占める第２の触媒ゾーン３１４内に配置される。第３の触媒材料３３６は、筐体３０２の内部反応容積の長さ３２４を占める第３の触媒ゾーン３１６内に配置される。第４の触媒材料３３８は、筐体３０２の内部反応容積の長さ３２６を占める第４の触媒ゾーン３１８内に配置される。

【0058】

動作中、内部反応容積の遠位部分が近位部分よりも高い温度で動作するように、本発明の反応器の内部反応容積の長さに沿って熱勾配を確立することができる。各触媒ゾーン内に配置される触媒材料は、そのゾーンの温度および／または圧力における反応器の性能を向上または最適化するように選択され得る。例えば、第１の触媒ゾーン３１２は、第２、第３または第４の触媒ゾーン３１４、３１６および３１８と比較して比較的低温であり得るため、第１の触媒材料３３２は、ゾーン３１２のより低い温度で反応物をより効率的にまたは最適に触媒する材料を含むように選択され得る。同様に、第４の触媒ゾーン３１８は、第１、第２または第３の触媒ゾーン３１２、３１４および３１６の温度よりも高い温度で動作し得るため、第４の触媒ゾーン３１８は、ゾーン３１８のより高い温度で反応物をより効率的にまたは最適に触媒する触媒材料を含むように選択され得る。

【0059】

各触媒ゾーン内に配置される触媒材料は、本発明の反応器が定常状態で動作しているとき（すなわち、反応器内に確立された熱勾配がもはや変動していないとき）、所望の性能指標を満たすか、またはそれを超えるように選択され得る。そのような性能指標の例には、触媒変換量または触媒選択性が含まれる。例えば、本発明の反応器がＲＷＧＳ反応を実行するために使用される場合、１つ以上の触媒ゾーン内の触媒材料は、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％のＣＯ_２変換率を提供するように選択され得、ここで所与のゾーンのＣＯ_２変換率は次の式４ように定義される：
ＣＯ_２変換率＝（ＣＯ出力のモル）／（ＣＯ_２入力のモル）（式４）
さらに、１つ以上の触媒ゾーン内の触媒材料は、所与のゾーンの条件（例えば、ゾーン内の温度、圧力、および化学組成）下でＣＯ_２の理論最大変換率の特定の割合を提供するように選択できるであろう。例えば、所与のゾーン内の触媒材料は、そのゾーンの反応条件下でのＣＯ_２の理論最大変換率の、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％を提供するように選択できるであろう。

【0060】

代替的に、またはさらに、１つ以上の触媒ゾーン内の触媒材料は、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９９％の触媒選択性を提供するように選択できるであろう。ここで、ＲＷＧＳ反応の触媒選択性は、次の式５に従って所与のゾーンに対して定義される：

触媒選択性_ＲＷＧＳ＝（ＣＯ出力モル数×２）／（ＣＯ出力モル数×２＋ＣＨ_４出力モル数×８） （式５）

【0061】

いくつかの実施形態では、触媒ゾーンの各々は、他の触媒ゾーンのいずれかに位置した。又は配置された触媒材料の種とは異なる、または類似していない触媒材料の種を、含む、本質的にそれからなる、またはそれからなる。例えば、所与のゾーン内の触媒材料は、他の触媒ゾーンの触媒材料と比較して、異なるタイプおよび／または量の触媒活性剤、異なるタイプおよび／または量の触媒担体材料、異なる配合、異なる濃度、および／または所与の体積あたりの異なる表面積を含み得る。さらなる例では、所与の触媒ゾーンの触媒材料は、他の触媒ゾーンの触媒材料と比較して異なる多孔度および／または表面積を含み得る。このようにして、所与の触媒ゾーンの触媒材料の触媒活性剤および／または触媒担体材料を、その触媒ゾーンで見出された(found)温度および圧力に調整して、所望レベルの反応性能を提供することができる。

【0062】

いくつかの実施形態では、各触媒ゾーンは、筐体の内部反応容積の長さの一部に沿って延在する一方、筐体のその部分の幅全体を占有する。すなわち、本発明のいくつかの実施形態では、反応器の内部反応容積の長さに沿って、および／または反応器の内部反応容積内の温度勾配に沿って、隣接するゾーン間に重なりがないように、各触媒ゾーンを筐体内に配置できる。このように、本反応器のいくつかの実施形態は、所与の反応温度において１種類の触媒材料のみを含む。

【0063】

図３Ａは、４つの異なる触媒ゾーンを含む本発明の実施形態を示すが、本発明のいくつかの実施形態は、複数の触媒ゾーン（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、または３０を超える触媒ゾーン）を含み、それぞれ、そのゾーンにとって所望の特性（例えば、表面積、選択性、特異性、反応速度論、熱力学、細孔径、熱伝導率、熱安定性、化学的安定性、または他の触媒特性）を有する触媒材料の独自の特定の組成および／または濃度を有する。異なる種類の触媒材料は、その種類の触媒材料の性能特性がそれぞれの触媒ゾーンにおける動作条件（例えば、温度および／または圧力）と一致または組み合わせられるように、所定の連続順序で配置され得る。例えば、比較的高温での所与の反応によりよい性能を提供する触媒材料は、反応器の内部反応容積の遠位端付近または遠位端にある触媒ゾーンに配置することができ、一方、より低い動作温度に適した触媒は、反応器の内部反応容積の近位部分に近い触媒ゾーンに配置することができる。

【0064】

いくつかの実施形態では、触媒の担体材料は、炭化ケイ素および／または窒化ホウ素の多孔質コーティングなどの多孔質コーティングを含む。そのような多孔質コーティングは、反応流体の浸透を可能にし、また、内部反応容積内の触媒粒子と流体の中、及び間の熱伝達を改善することも可能にする。いくつかの実施形態では、触媒材料は、触媒の活性表面積を増加させるために担体構造の細孔内に配置される。

【0065】

いくつかの実施形態では、本発明の反応器は、内部反応容積内に分散または配置された不活性フィラー粒子（例えば、フィラービーズ）を含む。図３Ｂは、反応器３５０の形態のそのような一実施形態を示す（簡潔にするために、入口または出口などの本発明の反応器の一部が図３Ｂでは省略されていることに留意されたい）。反応器３５０は、複数の異なるビーズ形状の触媒材料３５２と、ビーズ形状の触媒材料３５２の周りに位置したまたは配置された複数の不活性フィラービーズ３５６とを含む内部反応容積を画定する筐体３５４を含む。不活性フィラービーズ３５６は、伝導性熱伝達を促進する材料（例えば、炭化ケイ素、アルミナ、窒化ホウ素、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、および／またはそれらの複合物）で構成されて（又は作られて：be made of）もよい。不活性フィラービーズ３５６は、内部反応容積内での熱伝達を補助または改善することができ、それによって反応器３５０の幅全体にわたってより均一な温度勾配を維持するのに役立つ。いくつかの実施形態では、内部反応容積の体積の最大５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、または５０％が、不活性フィラービーズによって占められ得る。

【0066】

図１Ａおよび１Ｂに示される反応器１００に戻ると、反応器１００は戻り導管１１０を含む。戻り導管１１０は、筐体１０２の長さＬに沿って内部反応容積１０４内に延在する管の形態をとる。戻り導管１１０は、内部反応容積１０４内に、長軸１１４とほぼ同軸上に配置される。戻り導管１１０の近位端は、筐体１０２の近位部分１１８内の近位キャップ１１６の出口１０８に固定されるか、またはその近くに配置される。戻り導管１１０の遠位端は、図１Ｅに最もよく示されているように、流体が戻り導管１１０によって画定される管腔に入ることができる、複数の穿孔または穴１２６を含む。このようにして、穴１２６は、より大きな固体物質（例えば、触媒材料または不活性フィラービーズ）が戻り導管１１０によって画定される管腔に入るのを防ぐ。

【0067】

戻り導管１１０および出口１０８は、それぞれ、流体（例えば、反応物および／または反応生成物）が反応器１００から流出するように導くことができる戻り流路の一部を画定する。流体が戻り導管１１０を通過すると、流体からの熱が戻り導管１１０の壁とバッフル１１２を通過して、触媒材料、任意の不活性粒子、および内部反応容積１０４内に存在する流体に伝導される。このようにして、熱は、内部反応容積１０４から出る途中の流体（すなわち、戻り流路を通って導かれる流体）から伝達され、筐体１０２の遠位部分１２２に向かって移動する流体（すなわち、内部反応容積１０４を通って流れる流体）に伝達される。

【0068】

戻り導管１１０は、その管腔内の乱流流体の流れを促進して戻り導管１１０の半径方向幅にわたる温度勾配を減少させ、戻り導管１１０内の流体から内部反応容積１０４内の流体への熱伝達を改善する特徴を含むことができる。図１Ｃは図１Ａの平面Ａ－Ａに沿った戻り導管１１０の上面断面図を示す（図１Ｃでは、明確にするために筐体１０２の壁を省略している）。図１Ｃに見られるように、戻り導管１１０は、隆起したヘリカル状の溝またはライフリング(rifling)１２８を含む。溝またはライフリング１２８は、戻り導管１１０の内壁の円周に沿って巻かれており、戻り導管１１０の遠位端から近位端までヘリカル状に延在する。反応物および／または生成物流体が戻り導管１１０を通って流れるとき、ライフリング１２８は流体内の乱流を増加させ、それによって戻り導管１１０の半径方向幅に沿って存在し得る温度勾配を減少させる。これは次に、バッフル１１２および内部反応容積１０４内の材料（例えば、流体、触媒材料、および／または不活性ビーズ）への熱伝達を促進または増加させる。戻り導管１１０は、流れの乱流を増大させるために溝またはライフリング１２８を含むが、本発明の他の実施形態は、非ヘリカル状の溝、バンプ(bumps)、非ヘリカル状の隆起（又は隆起帯：ridges)、または、流れの乱流を増大させる機能を有する他の形態のバッフリング(baffling)など、他のタイプの表面テクスチャリングを使用してもよく、それによって、戻り導管内の流体から内部反応容積内の材料（例えば、反応物／生成物流体、触媒材料、または不活性粒子）への熱伝達を改善し得る。図１Ｄは、戻り導管１３０の上面断面図を示し、それは、戻り導管１３０の内壁に形成されるか、またはその内壁上に配置される複数の小さなディンプル(dimples)またはバンプ１３２を含む、本発明の別の実施形態の戻り導管である。バンプ１３２は、戻り導管１３０によって画定される管腔内の乱流を促進するバッフルとして機能する。

【0069】

反応器１００は、筐体１０２の長さＬの大部分にわたって長軸１１４に沿って延びる(running)単一の直線状の管またはチャネルの構成内の単一の戻り導管１１０を有するものとして示されているが、本発明の他の実施形態は、異なる形状および構成を有する戻り導管を含む。例えば、本発明の反応器は、ヘリカル状もしくはスパイラル状を有する戻り導管、または２つ以上のチャネルを有する戻り導管を含んでもよい。ヘリカル状の戻り導管または２つ以上のチャネルを有する戻り導管を使用すると、戻り流路経路をより長くすることによって、および／または戻り導管チャネルの半径または幅を減少させることによって、戻り導管チャネル内の流体から内部反応容積内の流体への熱伝達を改善できる。本発明のいくつかの実施形態では、戻り導管内の流体と内部反応容積内の流体との間の適切な熱伝達を達成するためにそのようなバッフルは必要ないため、反応器は戻り導管チャネルから延在するバッフルを含まない。

【0070】

いくつかの実施形態では、本発明の反応器は、戻り導管と戻り導管内を流れる流体との間の対流および／または伝導熱交換を増加させるための特徴を含む戻り導管を含む。例えば、戻り導管は、戻り導管を通って移動する流体の乱流を増加させるパッキング材料(packing materials)を含むことができ、および／または戻り導管の内壁面は、戻り導管内を移動する流体内の乱流を増加させる特徴を含むことができ、それにより、流体と戻り導管の表面および／または戻り導管内のパッキング(packing)との間の対流熱交換を増加させることができる。さらに、戻り導管内のパッキング材料および／または戻り導管の内壁に形成された特徴は、戻り導管の他の部分および／または本発明の反応器（例えば、内部反応容積）の内部の他の部分内のパッキング材料に熱を伝達できる。そのような特徴のさまざまな例が図７Ａ～７Ｈに示されている。

【0071】

図７Ａは、戻り導管７００の一部の側面図を示す。図７Ａの図は、戻り導管７００の内部特徴をより良く示すために部分的に透明として示されている。戻り導管７００は、戻り導管の内壁の周りに巻かれるヘリカル状バッフル７０２を含む。ヘリカル状バッフル７０２は戻り導管７００の内壁と物理的に接触しており、それによって戻り導管７００とヘリカル状バッフル７０２との間に高度の熱的接続が提供される。使用中、ヘリカル状バッフル７０２は、生成物及び反応物流体の流れに、それらが戻り導管７００を通して移動する際に、乱流を誘発することになり、それにより、流体からヘリカル状バッフル７０２へ熱伝達を増加させ、それによって戻り導管７００の内壁への熱伝達が増加する。

【0072】

図７Ｂは、戻り導管７１０の一部の側面図を示す。図７Ｂの図は、戻り導管７１０の内部特徴をより良く示すために部分的に透明として示されている。戻り導管７１０は、戻り導管の内壁の周りに巻かれたヘリカル状コイル７１２を含む。ヘリカル状コイル７１２は戻り導管７１０の内壁と物理的に接触しており、それによって戻り導管７１０とヘリカル状コイル７１２との間に高度の熱的接続が提供される。使用中、ヘリカル状バッフル７１２は、生成物及び反応物流体の流れに、それらが戻り導管７１０を通して移動する際に、乱流を誘発することになり、それにより、流体からヘリカル状コイル７１２へ熱伝達を増加させ、それによって戻り導管７１０の内壁への熱伝達が増加する。

【0073】

ヘリカル状バッフル７０２およびヘリカル状コイル７１２は、それぞれがそれぞれの戻り導管の内周に沿って巻かれるという点で、多くの点で類似している。ヘリカル状バッフル７０２とヘリカル状コイル７１２との間の１つの違いは、それらがそれぞれの戻り導管によって画定される管腔の中心軸に向かって半径方向にどれだけ延在するかである。ヘリカル状バッフル７０２は戻り導管７００の中心軸までの半径方向距離全体に広がるが、ヘリカル状コイル７１２は戻り導管７１０の中心軸まで部分的にのみ広がる。

【0074】

図７Ｃは、球状ビーズ７２２の形態における複数の粒子が配置される戻り導管７２０を示す。ビーズ間の空間は、使用中に生成物および反応物流体が流れる曲がりくねった経路(又は複雑な経路：tortuous path）を形成する。この曲がりくねった経路は、生成物および反応物流体が戻り導管７２０を通って移動するときに、それらの流れに乱流を誘発する。ビーズ７２２は、隣接するビーズおよび戻り導管７２０の内壁と直接物理的に接触しており、これにより、ビーズと戻り導管７２０の内壁との間の伝導と戻り導管７２０を通過する流体間の対流の両方を介して熱交換が増加する。球状ビーズ７２２は、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、 アルミナ、アルミニウム、アルミノケイ酸塩、ステアタイト、酸化マグネシウム、銅、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、および／またはステンレス鋼の粒子（例えば圧縮および／または研磨された粒子）であり得る。図７Ｃは、球形ビーズ７２２が充填された戻り導管７２０を示すが、本発明のいくつかの実施形態では、戻り導管には、球、ペレット、ローブ、中空管、リボン、ワイヤ、ラッシングリング、クロスリング、サドル、トリ－ｙリング(tri-y rings)、ランダムな形状、またはそれらの組み合わせなどの形状の粒子が充填される。

【0075】

図７Ｄは、複数の小さな直線状チャネル７３４を含むモノリス(monolith)７３２が配置された戻り導管７３０を示す。代替的には、モノリス７３２および戻り導管７３０は一体構造として形成される。モノリス７３２および／または戻り導管７３０は、セラミック材料および／または押出金属材料から形成され得る。図７Ｅは、３つのモノリス７３２の上面断面図を示し、複数の小さな直線状チャネル７３４をよりよく示している。使用中、モノリス７３２は戻り導管７３０内に配置され、戻り導管７３０の内壁と接触しており、生成物および反応物流体は、モノリス７３２の複数の直線状チャネル７３４を通って流れることによって戻り導管７３０に沿って移動する（又は横切る：traverse）。流体はモノリス７３２のバルク材料に熱を伝達し、次にモノリス７３２のバルク材料は、熱を伝導的に戻り導管７３０の内壁に伝達し、その後、内部反応容積に伝達する。いくつかの実施形態では、（本明細書の他の箇所で説明するように）戻り導管の外側の周りにバッフルを形成してもよく、戻り導管内にモノリスを配置または形成してもよい。

【0076】

図７Ｆは、戻り導管７４０を示し、その中には、戻り導管７４０を通る非常に曲がりくねった流体流路または流路７４４を形成するランダムチャネルまたは相互接続された細孔のネットワークを含む発泡モノリス７４２が配置されている。発泡モノリス７４２は、セラミック材料、金属材料、またはセラミック材料と金属材料の両方で構成され得る。図７Ｇは、発泡モノリス７４２の２つの部分の断面プロフィールを示す写真を示し、それを通る高度に曲がりくねった流体流路７４４の別の図を示す。使用中、発泡モノリス７４２は戻り導管７４０内に配置され、且つ戻り導管７４０の内壁と接触しており、生成物および反応質流体は、発泡モノリス７４２内に画定された非常に曲がりくねった流体流路７４４を通って流れることによって戻り導管７４０に沿って移動する。流体は熱を発泡モノリス７４２のバルク材料に伝達し、次に発泡モノリス７４２のバルク材料は熱を戻り導管７４０の内壁に伝導的に伝達する。

【0077】

図７Ｈは、戻り導管７５０の内壁から戻り導管７５０の中心軸に向かって突出する(jutting)複数のスパイクまたは付属物(appendages)７５２を含む戻り導管７５０を示す。付属物７５２は、使用中、反応物および生成物流体が戻り導管７５０の内腔を通って流れるときに、反応物および生成物流体に乱流を誘発する。流体はそれらの熱を付属物７５２のバルク材料に伝達し、次に付属物７５２はその熱を戻り導管７５０に伝導的に伝達する。

【0078】

図５Ａ～５Ｃは、ヘリカル形状を有する戻り導管、および２つ以上のチャネルを有する戻り導管を利用する実施形態を含む、本発明の戻り導管の様々な形態を示す。

【0079】

図５Ａは、単一のヘリカルまたはスパイラル構造を有する戻り導管５００の斜視図を示す。戻り導管５００を含む本発明の反応器の「内部反応容積」には、筐体の内壁と戻り導管５００の外側ヘリカル状半径との間の空間または容積だけでなく、戻り導管５００の内側ヘリカル状半径内の空間または容積（すなわち、戻り導管５００の中心軸に沿って延在し、ヘリカルスパイラルの内周によって境界が定められる体積）も含まれるであろう。触媒材料は、戻り導管５００のヘリカル状構造の周囲および内部の両方に充填され得る。戻り導管５００によって画定される比較的長く曲がりくねった戻り流路は、戻り導管５００の外面から延在するバッフルを使用せずに、戻り導管５００内の流体と内部反応容積内の流体との間に適切な量の熱伝達を提供できる。

【0080】

図５Ｂは、複数の戻り導管（戻り導管を想像線で示す）を含む本発明の反応器５２０の簡略化した側面図を示す。簡単にするために、図５Ｂは、本発明の反応器に見られる多くの要素を省略し、反応器５２０内の戻り導管構造をよりよく示すために、筐体５０８を部分的に透明なものとして示す。

【0081】

反応器５２０は、筐体５０８、第１の戻り導管５１２、第２の戻り導管５１４、第３の戻り導管５１６、および戻りマニホールド５１８を含む。第１、第２、および第３の戻り導管５１２、５１４、および５１６は、内部反応容積５７４の長さの大部分に沿って、互いにほぼ平行に延在する。第１、第２、および第３の戻り導管５１２、５１４、および５１６の遠位端５２６は、筐体５０８の遠位端５２４の近くの反応器５２０の遠位部分に配置される。第１、第２、および第３の戻り導管５１２、５１４、および５１６の近位端は、すべて戻りマニホールド５１８に固定され、戻りマニホールドは筐体５０８の近位端５２２に固定される。動作中、流体は、近位端５２２の入口（入口は図５Ｂには示されていない）から、筐体５０８の長さに沿って、筐体５０８の内壁によって画定される内部反応容積５７４を通って、戻り導管５１２、５１４、および５１６の外壁に流れる。次いで、流体は、第１、第２、および第３の戻り導管５１２、５１４、および５１６の遠位端５２６に入る。そこから、流体は、第１、第２、および第３の戻り導管５１２、５１４、および５１６を逆流して戻りマニホールド５１８に流入し、戻りマニホールド５１８の近位端に取り付けられた出口５３０を介して反応器５２０から出る。

【0082】

図５Ｃは、複数の戻り導管も含む、本発明の反応器５５０の簡略化した側面図を示す。簡略化のために、図５Ｃは、反応器５５０内の戻り導管構造をよりよく示すために、触媒材料を省略し、容器５５２内の特定の構造（例えば、第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０、および５６２、ならびにバッフル５６４）を想像線で示している。

【0083】

反応器５５０は、筐体５５２、第１の戻り導管５５４、第２の戻り導管５５６、第３の戻り導管５５８、第４の戻り導管５６０、第５の戻り導管５６２、バッフル５６４、入口５６６、および出口５６８を含む。第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０および５６２は、筐体５５２の内部反応容積５７４の長さの大部分に沿って、ほぼ互いに平行に延在する。第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０、および５６２の遠位端は、筐体５５２の遠位端５７２の近くの反応器５５２の遠位部分に配置される。第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０、および５６２はすべて戻りマニホールド（図５Ｃでは見えない）に固定されており、次いでそのマニホールドは出口５６８に固定されている。出口５６８および入口５６６は筐体５５２の近位端５７０を通って延在する。第３の戻り導管５５８は、筐体５５２の中心軸にほぼ沿って配置されている。ヘリカル状バッフル５６４は、第３の戻り導管５５８から半径方向に突出し、第３の戻り導管５５８の周囲に巻かれ、近位端５７０から遠位端５７２まで筐体５５２の長手方向の長さに沿って延在する。第１、第２、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５６０、および５６２は、第３の戻り導管５５８の周りに対称的に配置され、また、近位端５７０から遠位端５７２まで筐体５５２の長さに沿って長手方向に延在する。

【0084】

動作中、流体反応物は入口５６６を介して反応器５５０に入り、近位端５７０から筐体５５２の長さ方向に、並びに、筐体５５２の内壁と第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０、および５６２の外壁とによって画定される内部反応容積５７４に、流れる。流体反応物および形成された生成物が遠位端５７２に到達すると、流体は第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０、および５６２の遠位端に入る。そこから、流体は、第１、第２、第３、第４、および第５の戻り導管５５４、５５６、５５８、５６０、および５６２を逆流して移動し、戻りマニホールドに流れ、近位端５７０を通って延在する出口５６８を介して反応器５５０から出る。

【0085】

反応器５２０および反応器５５０は２つ以上の戻り導管チャネルを使用するため、それぞれの戻り導管の各々は、単一の導管のみを使用する反応器と比較して小さい直径を有することができる。さらに、複数の戻り導管のそれぞれの間の間隔により、内部反応容積５７４内の流体が導管のそれぞれを取り囲むことが可能になる。戻り導管の直径がより小さいこと、および複数の導管が離間しているという性質により、各戻り導管内の流体から内部反応容積５７４内の流体へのより効率的な熱伝達が促進される。

【0086】

反応器５２０は３つの分岐戻り導管と共に示され、反応器５５０は５つの分岐戻り導管をと共に示されているが、本発明の反応器のいくつかの実施形態は、２、４、６、７、８、９、１０、または１０を超える戻り導管を含む。さらに、反応器５２０は、戻りマニホールド５１８にすべて合流する(merging)戻り導管５１２、５１４、５１６を示しているが、本発明の反応器のいくつかの実施形態は、戻りマニホールドの使用を完全に省略し、単に複数の出口を有し、各出口がそれ自体の専用の(dedicated)戻り導管に接続されている。さらに別の実施形態では、本発明の反応器は、戻りマニホールドに合流する分岐戻り導管と、それらの専用の出口を有する１つ以上の戻り導管の両方を有する。

【0087】

本発明の反応器を作製するために使用される構成材料は、所与の用途に必要な要求および性能特性に基づいて選択され得る。構成材料を選択する際に考慮すべきいくつかの要素としては、熱安定性、化学反応性、熱伝導率、クラック耐性、およびコストが挙げられる。ＲＷＧＳ反応で生成される一酸化炭素は、さまざまな温度範囲で鉄及びニッケルの合金を攻撃して腐食し、有毒な生成物を生成する傾向があるため、ＲＷＧＳ反応の用途は特に要求が厳しくなる。いくつかの実施形態では、本発明の反応器は、約５０℃～約１６００℃の内部動作温度（すなわち、反応器筐体内の温度）、及び／又は、約５０℃から約２０００℃の外部動作温度（すなわち、反応器筐体の外表面の温度）で動作し、それに耐え得る材料で構成される。

【0088】

いくつかの実施形態では、本発明の反応器または本発明の反応器の一部は、金属または金属合金（例えば、ＳＳ３１６などのステンレス鋼合金、または８００ＨＴおよび／またはＴＭＡ６３０１などのクロムニッケル合金）、セラミック材料、セラミック複合材料、またはそれらの組み合わせで構成される。例えば、炭化ケイ素、シリカ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、および／またはアルミナを使用して、本発明の反応器の構成要素の一部またはすべてを形成できる。炭化ケイ素は、有利な熱伝導特性を備えた比較的強力な材料である。また、炭化ケイ素はガス透過性が比較的低く、化学的安定性に優れ、熱膨張係数が低く、破壊およびクラックの伝播に耐性がある特性を有する。

【0089】

いくつかの実施形態では、本発明の反応器は、使用中に反応器の長さに沿って広がり得る温度勾配によりよく適応するために、２つ以上の材料で構成される。例えば、反応器の遠位部分は比較的高温（例えば、９００℃～１６００℃）で動作し得るが、反応器の近位部分は比較的低温（例えば、５０℃～４００℃）で動作し得る。反応器の遠位部分は、より高温で取り扱うことができる材料（例えば、炭化ケイ素などのセラミック材料またはセラミック複合材料）から形成できるが、より近位の部分は、それらのより高温に耐える必要はない材料（例えば金属または金属合金）で構成され得る。例えば、本発明の反応器の入口管または出口管は金属または金属合金で形成することができ、一方、マニホールドおよび／または戻り導管および／または筐体は炭化ケイ素材料、炭化ケイ素複合材料、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、またはそれらの組み合わせで形成できる。いくつかの実施形態では、本発明の反応器の１つ以上の部分（例えば、入口／出口管、筐体、戻り導管など）は、本明細書に記載される１つ以上の金属から形成される近位端と、 は、本明細書に記載される１つ以上のセラミックまたはセラミック複合材料から形成され、それらの間の中間部分は、金属とセラミック材料の両方の混合物から形成される。いくつかの実施形態では、中間部分における２つの材料の比は、反応器部分の長手方向の長さに沿って変化し得る。例えば、入口菅は、金属の近位部分とセラミックの遠位部分と、これら２つの部分の間に、金属対セラミックの比が遠位端近くで大きくなり、近位端近くで小さくなる中間部分を有し得る。中間部分に沿って金属からセラミックに徐々に移行することにより、使用中および／または設置中に本発明の反応器内に応力破壊が形成される可能性を低減できる。

【0090】

さらに、本発明の反応器のいくつかの部分は、反応器の動作性能および／または耐久性を改善するために、第２の材料でコーティング、ライニング(lined)、または含浸されてもよい。例えば、筐体の全部または一部（例えば、遠位部分）は、アルミナイド、アルミナ、アルミナ／炭化ケイ素複合材料、窒化ホウ素材料、ムライト、窒化ケイ素材料、希土類金属、ケイ酸希土類材料、またはアルミン酸希土類材料のライニングまたはコーティングを含んでもよい。

【0091】

本発明の反応器の様々な構成要素を作製するのに有用な製造方法には、機械加工、鋳造、成型、成形、接合、メッキ、等圧成形、押出成形、または付加製造法（例えば、バインダージェット３Ｄ印刷法、押出３Ｄ印刷法、光リソグラフィー法、 ロボキャスティング法、または選択的レーザー焼結法）が含まれる。さらに、固相焼結、液相焼結、反応性溶融浸透、化学蒸気浸透、およびフェノール含浸熱分解などの方法を使用して、印刷されたプリフォームを本発明の反応器の高密度で使用可能な部分に統合(consolidate)できる。

【0092】

３Ｄ印刷プロセスを使用して、１つ以上の異なるタイプの材料を使用して本発明の反応器の構成要素のすべてまたは一部を印刷できる。例えば、３Ｄ印刷プロセスを使用して、戻り導管チューブの２つ以上の部分を炭化ケイ素から印刷し、その後、２つ以上の部分を共に焼結して完成した戻り導管を作成することができる。別の例では、３Ｄ印刷プロセスを使用して、戻り導管の遠位部分を炭化ケイ素から、近位部分を金属合金から印刷し、その後、２つの部分を共に溶接または接着して完全な戻り導管を形成できる。２つ以上の材料を利用し、ワークピースの寸法にわたってそれらの材料の比率を変えることができる３Ｄ印刷プロセスも、本発明の反応器または本発明の反応器の一部を作成するのに有用であり得る。例えば、３Ｄ印刷プロセスを使用して、第１の材料（例えば、セラミックまたは炭化ケイ素材料）で構成された遠位部分と、第２の材料（例えば、金属合金）で構成された近位部分と、第１および第２の材料の混合物で構成された中間部分と、を有する戻り導管チューブを印刷できる。

【0093】

いくつかの実施形態では、本発明は、本明細書に記載の本発明の反応器の１つを使用して反応生成物を生成する方法を含む。図６Ａは、反応生成物を生成する本発明の方法の一実施形態である方法６００を示すフローチャートを示す。図６Ｂは、方法６００で説明する、反応器６５０の軸方向の長さに沿った断面図を示す。

【0094】

方法６００の部分６０２は、本明細書に記載される本発明の反応器の１つなどの不均一系触媒反応器を提供することを含む。図６Ｂに示される反応器６５０は、そのような反応器を示している。反応器６５０は、その幅Ｗ１よりも大きい長さＬ１を有する略円筒形の筐体６５２を含む。筐体６５２の長さＬ１は、近位部分６５６の一端の近位端キャップ６５８から遠位部分６５４の端の遠位端キャップ６６０まで延在する。

【0095】

筐体６５２は、内部反応容積６６２を画定する。筐体６５２は、容積６６２内に複数の触媒材料６６４Ａ、６６４Ｂ、６６４Ｃ、６６４Ｄ、６６４Ｅ、６６４Ｆ、および６６４Ｇを（触媒球の形態で）収容する。触媒材料６６４Ａ、６６４Ｂ、６６４Ｃ、６６４Ｄ、６６４Ｅ、６６４Ｆ、および６６４Ｇは、長さＬ１に沿って連続的に配置され、触媒材料の各種はそれ自体の触媒ゾーンに配置される（７つの触媒ゾーンの各々は、図６Ｂでは長さＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧとして列挙される）。具体的には、触媒材料６６４Ａは触媒ゾーンＡ内に配置され、触媒材料６６４Ｂは触媒ゾーンＢ内に配置され、触媒材料６６４Ｃは触媒ゾーンＣ内に配置され、触媒材料６６４Ｄは触媒ゾーンＤ内に配置され、触媒材料６６４Ｅは触媒ゾーンＥ内に配置され、触媒材料６６４Ｆは触媒ゾーンＦ内に配置され、触媒材料６６４Ｇは触媒ゾーンＧ内に配置される。触媒材料６６４Ａ、６６４Ｂ、６６４Ｃ、６６４Ｄ、６６４Ｅ、６６４Ｆ、および６６４Ｇの各々は、それぞれの触媒ゾーン Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧの温度および／または圧力で、反応器の性能を最適化するように選択される。

【0096】

反応器６５０はまた、入口６６６および出口６６８を含み、これらは両方とも近位端キャップ６５８を通って延在するが、代替実施形態では、反応器は、２つ以上の入口および／または出口（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、または１０を超える入口および出口）を含む。戻り導管６７０は、筐体６５２内に配置され、近位端キャップ６５８から遠位端キャップ６６０に向かって長さＬ１の大部分に沿って延在する。ヘリカル状バッフル６７２は、戻り導管６７０から内部反応容積６６２内に延在する。

【0097】

出口６６８および戻り導管６７０の内壁は戻り流路を画定する。入口６６６は、内部反応容積６６２と直接流体連通しており、戻り流路と間接的に流体連通している。出口６６８は、戻り導管６７０の内壁によって画定される戻り流路の部分と直接流体連通し、内部反応容積６６２および入口６６６と間接流体連通する。

【0098】

方法６００の部分６０４は、筐体６５２内の内部反応容積６６２の長さＬ１に沿って熱勾配を確立することを含む。図６Ｂは、熱勾配６７４を提供し、それは、熱勾配が確立された後（すなわち、反応器６５０の定常状態動作時）、長さＬ１に沿った距離の関数として内部反応容積６６２の温度を示す。図示のように、筐体６５２の近位部分６５６は約１５０℃の温度で動作し、一方、筐体６５２の遠位部分６５４は約１０００℃の温度で動作する。熱勾配を確立することは、加熱された流体を、入口６６６を通して導くこと、遠位部分６５４を加熱または冷却すること、および／または内部反応容積６６２内で起こる反応によって生成または消費される熱を、筐体６５２内の温度勾配が平衡状態になるまで継続させることを含み得る。

【0099】

方法６００の部分６０６は、本発明の反応器の少なくとも１つの入口を通して１つ以上の反応物を導くことを含む。図６Ｂの文脈では、部分６０４は、反応物を、入口６６６を通して反応器６５０の内部反応容積６６２に導くことを含む。反応物の正確なタイプおよび量は、所与の用途によって異なるであろう。しかしながら、いくつかの実施形態では、反応物には、水素、メタン、二酸化炭素、および水のうちの１つ以上が含まれる。本発明のいくつかの実施形態では、約１００℃の温度の流体二酸化炭素および水素が入口６６６を通って導かれ、内部反応容積６６２の触媒ゾーンＡ内に位置する触媒材料６６４Ａと接触する。一旦触媒材料６６４Ａと接触すると、少なくとも一部の反応物が反応生成物に変換されまる。得られる反応生成物の正確なタイプと量も、所与の用途によって異なるであろう。しかしながら、いくつかの実施形態では、反応生成物は、一酸化炭素、水、および水素のうちの１つ以上を含み得る。

【0100】

方法６００の部分６０８は、１つ以上の反応物をさらに内部反応容積６６２を通って筐体６５２の遠位部分６５４に向けて導くことを含む。バッフル６７２は、流体反応物が筐体６５２の長さＬ１に沿って内部反応容積６６２を通って移動するときに流体反応物内の乱流を加熱し、促進する。さらに、反応物は、それぞれの触媒ゾーンＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧに位置する他の種の触媒材料６６４Ｂ、６６４Ｃ、６６４Ｄ、６６４Ｅ、６６４Ｆ、および６６４Ｇと接触する。したがって、流体反応物が筐体６５２の長さＬ１に沿って進むにつれて反応物および触媒材料の温度が上昇し、反応物は触媒種と接触し続け、それにより反応物が反応生成物流体（例えば、一酸化炭素、水、水素など）にさらに変換される。

【0101】

方法６００の部分６１０は、反応生成物およびいずれの未反応の反応物を内部反応容積６６２から戻り導管６７０の遠位端に導くことを含む。戻り導管６７０は、反応生成物（および未反応の反応物）が反応器６５０から出るための流路を提供する戻り流路の一部を画定する。

【0102】

方法６００の部分６１２は、流体反応生成物を戻り流路に沿って反応器６５０の近位部分６５６に向けて導くことを含む。流体反応生成物が戻り導管６７０を介して筐体６５２の長さＬ１を移動するとき、流体反応生成物は熱を戻り導管６７０に伝達し、その熱は次にバッフル６７２と内部反応容積６６２内の流体に伝達される。

【0103】

方法６００の部分６１４は、流体反応生成物を少なくとも１つの出口６６８を通して導くことを含む。反応器６５０の場合、流体反応生成物は出口６６８を通って流れ、反応器６５０を出る。

【0104】

温度勾配インジケータ６７４によって示されるように、流体反応物および反応生成物は、反応器６５０およびその内部反応容積６６２内で長さＬ１に沿って遠位方向に移動するにつれて温度が上昇する。近位端キャップ６５８では、反応物および反応生成物の温度は比較的低く、反応物は約１００℃の温度で入口６６６に入り、反応物流体が遠位端キャップ６６０に到達すると、温度は１０００℃以上に徐々に上昇する。生成物流体（および未反応の反応物流体）はその後、１０００℃以上の温度で内部反応容積６６２の遠位端に入るが、戻り導管６７０の長さを通って長さＬ１に沿って近位方向に戻るにつれて温度が低下する。生成物流体（および未反応の反応物流体）が出口６６８に到達するまでに、それらは約２００°Ｃの温度まで冷却される。このようにして、反応器６５０の近位部分６５６は、遠位部分６５４よりも著しく低い温度で動作する。

【0105】

本発明のいくつかの実施形態では、別個の熱交換器（図示せず）を使用して、流体反応物が入口６６６に入る直前に流体反応物を予熱できる。

【0106】

この開示の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物によって決定されるべきである。したがって、本開示の範囲は、当業者にとって明らかとなる他の実施形態を完全に包含し、従って、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲以外の何物によっても限定されるものではないことが理解されるであろう。単数形での要素への言及は、明示的に明記されていない限り、「１つのみ」を意味するものではなく、「１つまたは複数」を意味する。当業者に知られている上記の好ましい実施形態の要素との構造的、化学的、および機能的等価物はすべて参照により明示的に本明細書に組み込まれ、本特許請求の範囲に包含されるものとする。さらに、装置または方法が本特許請求の範囲に包含されるために、本開示によって解決しようとしているすべての問題に対処する必要はない。さらに、本開示の要素、構成要素、または方法ステップは、その要素、構成要素、または方法ステップが特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかに関係なく、一般に公開されることを意図したものではない。

【0107】

本開示の様々な好ましい実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的で提示されたものである。これは網羅的であること、または開示を正確な実施形態に限定することを意図したものではなく、明らかに、上記の教示に照らして多くの修正および変形が可能である。上述の実施形態例は、本開示の原理とその実際の適用を最もよく説明するために選択され、説明されており、それによって、当業者が、想定される特定の用途に適したさまざまな実施形態及びさまざまな変更を加えて、本開示を最もよく利用できるようになっている。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されることが意図されている。

【0108】

様々な例が説明されてきた。これらおよび他の例は、特許請求の範囲の範囲内にある。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図7G】

【図7H】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-18

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長さと幅を有する筐体であって、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在し、前記筐体は内部反応容積を画定する、筐体と、
前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの入口であって、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路を画定する、前記少なくとも１つの入口と、
前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に向かって延在する少なくとも１つの導管であって、戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管と直接流体連通し、前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの出口であって、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの出口と、
前記内部反応容積内に配置された少なくとも２種の触媒材料と、を含む不均一系触媒反応器。

【請求項2】

前記導管から前記内部反応容積内に延在する１つ以上のバッフルをさらに含む、請求項１に記載の反応器。

【請求項3】

１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第１部分に延在し、１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第２部分に延在し、
前記内部反応容積の前記第１部分に延在する前記１つ以上のバッフルの総表面積は、前記内部反応容積の前記第２部分に延在する前記１つ以上のバッフルの総表面積よりも大きい、請求項２に記載の反応器。

【請求項4】

１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第１部分に延在し、１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第２部分に延在し、
前記内部反応容積の前記第１部分に延在する前記１つ以上のバッフルのピッチは、前記内部反応容積の前記第２部分に延在する前記１つ以上のバッフルのピッチとは異なる、請求項２に記載の反応器。

【請求項5】

前記１つ以上のバッフルは、前記導管の長さに沿ってスパイラル形状を形成する、請求項２～４のいずれか一項に記載の反応器。

【請求項6】

前記導管の内腔は、前記導管内を移動する流体の流体対流または前記導管への熱伝導、を増加させるための１つ以上の特徴を含む、請求項１に記載の反応器。

【請求項7】

前記１つ以上の特徴は、前記導管の内壁面によって画定されるか、または前記導管の内腔内に配置された１つ以上の構造によって画定される、請求項６に記載の反応器。

【請求項8】

前記少なくとも１つの導管の遠位端に配置されたフィルタをさらに含み、前記フィルタは、触媒材料が前記導管に入るのを防ぐように構成されている、請求項１に記載の反応器。

【請求項9】

前記戻り流路は触媒材料を有していない、請求項１に記載の反応器。

【請求項10】

触媒材料は、前記少なくとも１つの導管の遠位部分内に充填される、請求項１に記載の反応器。

【請求項11】

前記少なくとも１つの導管は第１導管および第２導管を含み、前記第１導管および前記第２導管の各々は、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、請求項１に記載の反応器。

【請求項12】

一連の触媒ゾーンは、前記筐体の前記長さに沿って前記内部反応容積内に所定の連続順序で配置されている、請求項１に記載の反応器。

【請求項13】

各触媒ゾーンは、他の触媒ゾーンに見られる触媒材料の種と比較して異なる単一種の触媒材料のみを含む、請求項１２に記載の反応器。

【請求項14】

前記筐体は、炭化ケイ素、炭化ケイ素複合材料、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、またはそれらの組み合わせ、で構成されている、請求項１に記載の反応器。

【請求項15】

前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部はセラミック材料で構成されている、請求項１に記載の反応器。

【請求項16】

前記筐体の少なくとも前記遠位部分、または前記少なくとも１つの導管の少なくとも遠位部分は、アルミナイド、アルミナ、アルミナ／炭化ケイ素複合材料、窒化ホウ素材料、ムライト、窒化ケイ素材料、希土類ケイ酸塩材料、または希土類アルミン酸塩材料からなる群から選択される材料でコーティングされている、請求項１に記載の反応器。

【請求項17】

反応生成物の製造方法であって、
長さと幅を有する筐体であって、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在し、前記筐体は内部反応容積を画定する、筐体と、
前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの入口であって、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路を画定する、前記少なくとも１つの入口と、
前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に延在する少なくとも１つの導管であって、戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管と直接流体連通し、前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの出口であって、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの出口と、
前記内部反応容積内に配置された少なくとも２種の触媒材料と、
を含む不均一系触媒反応器を提供する工程；
前記筐体の内部反応容積の前記長さに沿って熱勾配を確立する工程、ここで前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積の温度は、前記筐体の前記近位部分によって画定される前記内部反応容積の温度よりも高い;
前記内部反応容積を通して前記筐体の前記遠位部分に向けて１つ以上の反応物を導く工程、ここで前記１つ以上の反応物は第１触媒材料および第２触媒材料と接触し、前記１つ以上の反応物が前記筐体の前記長さに沿って進むにつれて、前記１つ以上の反応物の温度が上昇し、前記反応生成物が生成される；
前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積から、前記少なくとも１つの導管内に、前記反応生成物を導く工程；
前記戻り流路に沿って前記筐体の前記近位部分に向けて前記反応生成物を導く工程、ここで、前記反応生成物が前記筐体の前記近位部分に向けて導かれるとき、前記戻り流路内の前記反応生成物から前記内部反応容積内の前記１つ以上の反応物に熱が伝達される；および
前記少なくとも１つの出口を通して前記反応器の外に前記反応生成物を導く工程；
を含む製造方法。

【請求項18】

前記１つ以上の反応物は、二酸化炭素、水素、およびメタンのうちの１つ以上を含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記反応生成物は、一酸化炭素、水素、および水のうちの１つ以上を含む、請求項１７または１８に記載の方法。

【請求項20】

前記熱勾配が確立された後、前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積の前記温度が７５０℃～１４００℃である、請求項１７に記載の方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１０８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0108】

様々な例が説明されてきた。これらおよび他の例は、特許請求の範囲の範囲内にある。
本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。
（態様１）
長さと幅を有する筐体であって、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在し、前記筐体は内部反応容積を画定する、筐体と、
前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの入口であって、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路を画定する、前記少なくとも１つの入口と、
前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に向かって延在する少なくとも１つの導管であって、戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管と直接流体連通し、前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの出口であって、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの出口と、
前記内部反応容積内に配置された少なくとも２種の触媒材料と、を含む不均一系触媒反応器。
（態様２）
前記筐体の前記長さは、前記筐体の前記幅よりも大きい、態様１に記載の反応器。
（態様３）
前記導管から前記内部反応容積内に延在する１つ以上のバッフルをさらに含む、態様１または２に記載の反応器。
（態様４）
１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第１部分に延在し、１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第２部分に延在し、
前記内部反応容積の前記第１部分に延在する前記１つ以上のバッフルの総表面積は、前記内部反応容積の前記第２部分に延在する前記１つ以上のバッフルの総表面積よりも大きい、態様３に記載の反応器。
（態様５）
１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第１部分に延在し、１つ以上のバッフルは前記内部反応容積の第２部分に延在し、
前記内部反応容積の前記第１部分に延在する前記１つ以上のバッフルのピッチは、前記内部反応容積の前記第２部分に延在する前記１つ以上のバッフルのピッチとは異なる、態様３に記載の反応器。
（態様６）
前記１つ以上のバッフルは、前記導管の長さに沿ってスパイラル形状を形成する、態様３～５のいずれか一項に記載の反応器。
（態様７）
前記導管の内腔は、前記導管内を移動する流体の流体対流または前記導管への熱伝導、を増加させるための１つ以上の特徴を含む、態様１～６のいずれか一項に記載の反応器。
（態様８）
前記１つ以上の特徴は、バンプ、ディンプル、隆起部、平行な溝、ランダムパターン、発泡体、バッフル、またはライフリングパターンからなる群から選択される、態様７に記載の反応器。
（態様９）
前記１つ以上の特徴は、前記導管の内壁面によって画定されるか、または前記導管の内腔内に配置された１つ以上の構造によって画定される、態様７または８に記載の反応器。
（態様１０）
前記少なくとも１つの導管の遠位端に配置されたフィルタをさらに含み、前記フィルタは、触媒材料が前記導管に入るのを防ぐように構成されている、態様１～９のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１１）
前記戻り流路は触媒材料を有していない、態様１～１０のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１２）
触媒材料は、前記少なくとも１つの導管の遠位部分内に充填される、態様１～９のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１３）
前記少なくとも１つの導管は第１導管および第２導管を含み、前記第１導管および前記第２導管の各々は、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、態様１～１２のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１４）
前記少なくとも１つの導管は、第１導管、第２導管および第３導管を含み、前記第１導管、前記第２導管および前記第３導管の各々は、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、態様１～１２のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１５）
前記第１導管、前記第２導管および前記第３導管の各々の近位端は、マニホールドに取り付けられ、前記マニホールドは前記少なくとも１つの出口に取り付けられている、態様１４に記載の反応器。
（態様１６）
前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部は、スパイラル形状に構成されている、態様１～１５のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１７）
少なくとも２種かつ３０以下の異なる種の触媒材料が前記内部反応容積内に充填されている、態様１～１６のいずれか一項に記載の反応器。
（態様１８）
一連の触媒ゾーンは、前記筐体の前記長さに沿って前記内部反応容積内に所定の連続順序で配置されている、態様１７に記載の反応器。
（態様１９）
各触媒ゾーンは、他の触媒ゾーンに見られる触媒材料の種と比較して異なる単一種の触媒材料のみを含む、態様１８に記載の反応器。
（態様２０）
前記触媒材料は触媒担体上または触媒担体内に配置されている、態様１７～１９のいずれか一項に記載の反応器。
（態様２１）
前記触媒担体は、アルミナ、炭化ケイ素材料、窒化ホウ素材料、ステアタイト、シリカ、アルカリ金属酸化物材料、アルカリ土類酸化物材料、窒化アルミニウム材料、酸窒化アルミニウム材料、またはそれらの組み合わせ、からなる群から選択される材料を含む、態様２０に記載の反応器。
（態様２２）
触媒粒子は炭化ケイ素または窒化ホウ素の多孔質コーティングを含む、態様２０または２１に記載の反応器。
（態様２３）
前記触媒材料の間に配置された複数の不活性フィラー粒子をさらに含む、態様１７～２２のいずれか一項に記載の反応器。
（態様２４）
前記不活性フィラー粒子は、炭化ケイ素、アルミナ、窒化ホウ素、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、およびそれらの複合物、からなる群から選択される材料を含む、態様２３に記載の反応器。
（態様２５）
前記筐体はセラミック材料で構成されている、態様１～２４のいずれか一項に記載の反応器。
（態様２６）
前記筐体は、炭化ケイ素、炭化ケイ素複合材料、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、またはそれらの組み合わせ、で構成されている、態様２５に記載の反応器。
（態様２７）
前記筐体は、アルミナ－炭化ケイ素複合体である、態様２６に記載の反応器。
（態様２８）
前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部はセラミック材料で構成されている、態様１～２７のいずれか一項に記載の反応器。
（態様２９）
前記少なくとも１つの導管の少なくとも一部は、炭化ケイ素、アルミナ、またはそれらの複合物で構成されている、態様２８に記載の反応器。
（態様３０）
前記少なくとも１つの導管の近位部分または前記少なくとも１つの出口は、セラミック材料に固定された金属材料で構成されている、態様２９に記載の反応器。
（態様３１）
前記金属材料は、接着剤で前記セラミック材料に固定されている、態様３０に記載の反応器。
（態様３２）
前記筐体の少なくとも前記遠位部分、または前記少なくとも１つの導管の少なくとも遠位部分は、アルミナイド、アルミナ、アルミナ／炭化ケイ素複合材料、窒化ホウ素材料、ムライト、窒化ケイ素材料、希土類ケイ酸塩材料、または希土類アルミン酸塩材料からなる群から選択される材料でコーティングされている、態様１～３１のいずれか一項に記載の反応器。
（態様３３）
反応生成物の製造方法であって、
長さと幅を有する筐体であって、前記長さは前記筐体の遠位部分から前記筐体の近位部分まで延在し、前記筐体は内部反応容積を画定する、筐体と、
前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの入口であって、前記筐体の前記内部反応容積と流体連通する反応物流路を画定する、前記少なくとも１つの入口と、
前記内部反応容積内に配置され、前記筐体の前記近位部分から前記筐体の前記遠位部分に延在する少なくとも１つの導管であって、戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管と直接流体連通し、前記筐体の前記近位部分にある少なくとも１つの出口であって、前記戻り流路の少なくとも一部を画定する、少なくとも１つの出口と、
前記内部反応容積内に配置された少なくとも２種の触媒材料と、
を含む不均一系触媒反応器を提供する工程；
前記筐体の内部反応容積の前記長さに沿って熱勾配を確立する工程、ここで前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積の温度は、前記筐体の前記近位部分によって画定される前記内部反応容積の温度よりも高い;
前記内部反応容積を通して前記筐体の前記遠位部分に向けて１つ以上の反応物を導く工程、ここで前記１つ以上の反応物は第１触媒材料および第２触媒材料と接触し、前記１つ以上の反応物が前記筐体の前記長さに沿って進むにつれて、前記１つ以上の反応物の温度が上昇し、前記反応生成物が生成される；
前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積から、前記少なくとも１つの導管内に、前記反応生成物を導く工程；
前記戻り流路に沿って前記筐体の前記近位部分に向けて前記反応生成物を導く工程、ここで、前記反応生成物が前記筐体の前記近位部分に向けて導かれるとき、前記戻り流路内の前記反応生成物から前記内部反応容積内の前記１つ以上の反応物に熱が伝達される；および
前記少なくとも１つの出口を通して前記反応器の外に前記反応生成物を導く工程；
を含む製造方法。
（態様３４）
前記１つ以上の反応物は、二酸化炭素、水素、およびメタンのうちの１つ以上を含む、態様３３に記載の方法。
（態様３５）
前記１つ以上の反応物は流体を含む、態様３３または３４に記載の方法。
（態様３６）
前記１つ以上の反応物はガスを含む、態様３５に記載の方法。
（態様３７）
前記反応生成物は、一酸化炭素、水素、および水のうちの１つ以上を含む、態様３３～３６のいずれか一項に記載の方法。
（態様３８）
前記熱勾配が確立された後、前記筐体の前記遠位部分によって画定される前記内部反応容積の前記温度が７５０℃～１４００℃である、態様３３～３６のいずれか一項に記載の方法。
（態様３９）
前記熱勾配が確立された後、前記筐体の前記近位部分によって画定される前記内部反応容積の前記温度が５０℃～７５０℃である、態様３３～３８のいずれか一項に記載の方法。
（態様４０）
前記内部反応容積は、それぞれ異なる種の触媒材料を含み且つ前記熱勾配に沿って所定の連続順序で配置された一連の触媒ゾーンを含み、各種の触媒材料はその触媒ゾーンの反応条件下で理論最大変換率の少なくとも50%の反応物変換率を提供する、態様３３～３９のいずれか一項に記載の方法。
（態様４１）
前記内部反応容積は少なくとも３つ且つ３０未満の触媒ゾーンを含み、各触媒ゾーンは他の触媒ゾーンの触媒材料とは異なる種類の触媒材料を含む、態様４０に記載の方法。

【国際調査報告】