9급 지방직 화학공학일반 기출문제 전 회차를 한 권으로 — PDF 전자책(문제집·정답해설집)

21년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 지방직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

21년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

0.01440의 유효 숫자 개수는?

13개

24개

35개

46개

정답 및 해설

0.01440의 유효 숫자는 4개이다.

소수점 아래 첫 0이 아닌 숫자 앞의 0(0.0)은 자리만 나타내므로 유효 숫자가 아니다.

반면 0이 아닌 숫자 1, 4, 4와 소수점 아래 맨 끝의 0은 측정 정밀도를 나타내므로 유효 숫자로 센다. 따라서 1, 4, 4, 0의 네 자리이다.

문제 2

다음 멱법칙(power－law)은 유체의 전단 변형률과 전단응력에 대한 관계를 기술한다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, τ는 전단응력, v는 유체의 속도, dv/dy는 전단 변형률이다)

\tau=m\left|\dfrac{dv}{dy}\right|^{n-1}\dfrac{dv}{dy}

1유사가소성(pseudoplastic) 유체에 대한 n값은 1보다 크다.

2팽창성(dilatant) 유체의 점도는 전단 변형률이 증가함에 따라 증가한다.

3뉴튼 유체의 경우 n값은 1이다.

4m과 n의 값은 유체의 특성에 따라 달라진다.

정답 및 해설

유사가소성 유체의 n값은 1보다 작다는 점에서, n값이 1보다 크다는 진술이 옳지 않다.

멱법칙에서 겉보기 점도는 $\mu_{app}=m\left|\dfrac{dv}{dy}\right|^{n-1}$ 이다. n<1이면 전단 변형률이 커질수록 점도가 감소하는 유사가소성(전단박화), n>1이면 점도가 증가하는 팽창성(전단농화) 유체이다.

팽창성 유체는 n>1이므로 전단 변형률이 증가하면 점도가 증가한다는 설명은 옳다.
n=1이면 식이 $\tau=m\dfrac{dv}{dy}$ 가 되어 뉴튼 유체가 되므로 옳다.
m(점조도 지수)과 n(유동 거동 지수)은 유체마다 다른 물성값이므로 옳다.

문제 3

흑체의 총복사방출능(emissive power)은 흑체 절대 온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은?

1뉴튼의 냉각법칙(Newton’s law of cooling)

2푸리에의 법칙(Fourier’s law)

3슈테판－볼츠만의 법칙(Stefan－Boltzmann’s law)

4플랑크의 법칙(Planck’s law)

정답 및 해설

흑체의 총복사방출능이 절대온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은 슈테판–볼츠만 법칙이다.

식으로 $E_b=\sigma T^4$ 이며, $\sigma$ 는 슈테판–볼츠만 상수이다.

뉴튼의 냉각법칙은 대류 열전달 속도가 표면과 유체의 온도차에 비례한다는 법칙이다.
푸리에의 법칙은 전도 열유속이 온도구배에 비례한다는 법칙이다.
플랑크의 법칙은 흑체 복사의 파장별 분포를 나타내며, 이를 전 파장에 대해 적분하면 슈테판–볼츠만 법칙이 된다.

문제 4

전달단위 수(number of transfer unit)가 4이고 전달단위 높이(height of transfer unit)가 2m인 충전 흡수탑의 높이[m]는?

416

정답 및 해설

충전 흡수탑의 높이는 전달단위 수와 전달단위 높이의 곱이므로 8 m이다.

공식: $Z=N_{OG}\times H_{OG}$
대입: $Z=4\times 2\,\mathrm{m}$
결과: $Z=8\,\mathrm{m}$

전달단위 수는 분리의 난이도, 전달단위 높이는 충전물의 물질전달 효율을 나타낸다.

문제 5

창고의 단열을 위해 A층과 B층으로 이루어진 이중벽을 만들었다. A층과 B층의 열전달 저항[K⋅W^-1]은 각각 R_A, R_B이고, 벽 내부와 외부의 온도[K]는 각각 T_A, T_B이며, 열은 정상상태로 x축 방향으로만 전달된다. 벽을 통한 열전달 속도[W]는? (단, T_A＞T_B)

정답 및 해설

열전달 속도는 온도차를 직렬 저항의 합으로 나눈 $\dfrac{T_A-T_B}{R_A+R_B}$ 이다.

정상상태에서 두 층을 지나는 열량은 같으므로 열저항이 직렬로 연결된 회로와 같다.
$q=\dfrac{T_A-T_B}{R_A+R_B}$

저항 역수의 합은 병렬 연결의 합성 전도도이며, 온도차를 이것으로 나누면 단위가 $K^{2}/W$ 가 되어 열전달 속도가 아니다.
저항 역수의 합을 온도차로 나눈 식은 온도차와 저항의 자리가 뒤바뀌어 단위가 W가 되지 않는다.
저항 합을 온도차로 나눈 식은 열전달 속도의 역수로, 단위가 W가 아니다.

문제 6

분쇄공정에서 고려해야 할 재료 특성 중 마모에 대한 저항의 척도는?

1질김성(toughness)

2응집성(cohesivity)

3섬유성(fibrous nature)

4경도(hardness)

정답 및 해설

분쇄 재료 특성 중 마모에 대한 저항의 척도는 경도(hardness)이다.

경도가 높은 재료일수록 표면이 긁히거나 닳는 데 강하며, 분쇄기 부품의 마모도 커진다.

질김성(toughness)은 파괴되기까지 에너지를 흡수하는 능력, 즉 파괴 저항의 척도이다.
응집성(cohesivity)은 입자끼리 서로 달라붙는 성질로, 분쇄물의 뭉침·흐름성과 관련된다.
섬유성(fibrous nature)은 재료가 섬유 구조를 가져 찢기거나 뭉치는 성질로, 분쇄 방식 선택에 영향을 준다.

문제 7

불균일계 반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1고정층 반응기(fixed bed reactor)에서는 고체촉매를 충진⋅고정한 층에 반응기체를 흘려 준다.

2기포탑 반응기(bubble column reactor)는 탑 아래에 있는 기체 분산기를 통해 기체를 액상에 불어 넣는다.

3이동층 반응기(moving bed reactor)는 고체 입자가 반응기 내를 중력이나 기계적 힘을 통해 이동하면서 반응이 진행된다.

4유동층 반응기(fluidized bed reactor)는 유체의 유동을 크게 만들어 고정된 촉매와 유체 간의 강한 충돌을 유도하여 반응의 효율을 높일 수 있다.

정답 및 해설

유동층 반응기를 고정된 촉매와 유체의 충돌로 설명한 것이 옳지 않다.

유동층 반응기는 상향 유체 속도로 촉매 입자를 띄워 유체처럼 유동시키는 반응기로, 촉매가 고정되어 있지 않다. 그 결과 혼합·열전달이 좋아 온도가 균일해진다.

고정층 반응기는 고체촉매를 충진·고정한 층에 반응기체를 흘려 보내는 형태로 옳다.
기포탑 반응기는 탑 아래의 기체 분산기로 기체를 액상에 불어 넣는 형태로 옳다.
이동층 반응기는 고체 입자가 중력이나 기계적 힘으로 반응기 안을 이동하며 반응하는 형태로 옳다.

문제 8

공정 엔지니어가 공정을 한눈에 파악할 수 있도록 장비, 밸브 및 이음 등을 포함한 상세 정보, 기술적 세부 사항과 물질사양, 제어라인 등을 포함한 정보를 제공할 수 있는 것은?

1블록선도(block diagram)

2상평형도(phase diagram)

3공정흐름도(process flow diagram)

4배관계장도(piping and instrumentation diagram)

정답 및 해설

장비·밸브·이음과 계장·제어라인까지 상세히 담은 도면은 배관계장도(P&ID)이다.

배관계장도는 배관 규격, 밸브, 계기, 제어 루프 등 설계·시공·운전에 필요한 세부 정보를 모두 표시한다.

블록선도는 공정 단위를 상자로 단순화해 흐름만 보이는 개략도이다.
상평형도는 온도·압력·조성에 따른 상의 존재 영역을 나타내는 그림으로 공정 도면이 아니다.
공정흐름도(PFD)는 주요 장치와 물질·에너지수지, 운전조건을 보여 주지만 밸브·계장 등 세부 사항은 생략한다.

문제 9

50mol% A와 50mol% B로 구성된 원료(feed)가 과냉각된 액상으로 증류탑에 공급된다. 공급원료 1mol당 원료 공급단(feed stage)으로 유입되는 증기 흐름 중 0.5mol이 액화될 때, 원료 공급선(feed line)은?

1y=3x-1

2y=-x+1

3y=x-1

4y=-3x+1

정답 및 해설

원료 공급선은 y=3x-1이다.

과냉각 액체 원료는 공급단에서 증기를 응축시키므로, 원료 1 mol당 내려가는 액체 증가량은 원료 1 mol과 응축된 증기 0.5 mol의 합이다.
$q=1+0.5=1.5$

공식: $y=\dfrac{q}{q-1}x-\dfrac{z_F}{q-1}$
대입: $y=\dfrac{1.5}{0.5}x-\dfrac{0.5}{0.5}$
결과: $y=3x-1$

과냉각 액체는 q>1이어서 기울기가 1보다 큰 양수가 된다.

문제 10

비압축성 뉴튼 유체의 흐름을 설명하는 Navier－Stokes 식을 유도할 수 있는 법칙은?

1아보가드로의 법칙

2질량보존의 법칙

3열역학 제2법칙

4뉴튼의 운동 제2법칙

정답 및 해설

Navier–Stokes 식은 뉴튼의 운동 제2법칙을 유체 요소에 적용해 유도한다.

유체 요소의 운동량 변화율이 압력·점성력·체적력의 합과 같다는 운동량 보존 식이 바로 Navier–Stokes 식이다.

아보가드로의 법칙은 같은 온도·압력·부피의 기체가 같은 분자 수를 가진다는 법칙으로 유체 운동과 무관하다.
질량보존의 법칙에서는 Navier–Stokes 식이 아닌 연속 방정식이 유도된다.
열역학 제2법칙은 엔트로피와 과정의 방향성을 다루며 운동방정식의 근거가 아니다.

문제 11

실제기체가 이상기체 상태 방정식을 근사적으로 만족시킬 수 있는 조건만을 모두 고르면?

ㄱ. 분자의 크기가 작을수록
ㄴ. 온도가 낮을수록
ㄷ. 압력이 낮을수록

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답 및 해설

이상기체에 가까워지는 조건은 분자의 크기가 작을수록과 압력이 낮을수록이다.

이상기체는 분자 자체의 부피와 분자 간 인력을 무시한 모델이므로, 분자가 작고 저압이라 분자 간 거리가 멀수록 실제기체가 이에 가까워진다.

분자의 크기가 작으면 분자 부피를 무시할 수 있어 옳다.
온도가 낮으면 분자 운동 에너지에 비해 분자 간 인력의 영향이 커지므로 오히려 이상기체에서 멀어진다(고온일수록 가까워진다).
압력이 낮으면 분자 간 거리가 멀어 인력과 부피 효과가 작아지므로 옳다.

문제 12

추출에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1고－액 추출은 침출(leaching)이라고도 한다.

2증류에 의한 분리가 비효율적인 액체 혼합물에 대해 액－액 추출은 주요 대체공정 중 하나이다.

3거의 같은 기포점을 갖는 석유제품들을 분리할 때 활용된다.

4추출용매에 대해 유사한 용해도를 갖는 성분들로 구성된 액체 혼합물의 분리에 효과적이다.

정답 및 해설

추출은 추출용매에 대한 용해도 차이를 이용하므로, 용해도가 비슷한 성분들의 분리에 효과적이라는 설명이 옳지 않다.

성분들의 용해도가 비슷하면 용매로 옮겨 가는 정도가 같아 선택도가 낮고 분리가 거의 일어나지 않는다.

고–액 추출은 침출(leaching)이라고도 부르므로 옳다.
상대휘발도가 1에 가깝거나 공비를 이루는 등 증류가 비효율적인 액체 혼합물에는 액–액 추출이 주요 대체 공정이므로 옳다.
끓는점이 거의 같은 석유제품(예: 방향족과 지방족 탄화수소)의 분리에 추출이 활용되므로 옳다.

문제 13

유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로의 흐름이 발생하는 것을 방지하기 위한 밸브는?

1게이트밸브

2글로브밸브

3체크밸브

4볼밸브

정답 및 해설

역방향 흐름을 막는 밸브는 체크밸브이다.

체크밸브는 유체가 정방향으로 흐를 때만 열리고, 흐름이 반대로 바뀌면 압력차로 자동으로 닫혀 역류를 방지한다.

게이트밸브는 유로를 완전히 열거나 닫는 개폐용 밸브이다.
글로브밸브는 유량을 세밀하게 조절하는 데 쓰는 밸브이다.
볼밸브는 구멍 뚫린 구를 회전시켜 빠르게 개폐하는 밸브이다.

문제 14

균일한 단열재로 만들어진 벽을 이용하여 보일러의 열손실을 20,000W⋅m^-2으로 유지하고자 한다. 단열재 벽의 내부와 외부 온도가 각각 500 °C와 100 °C일 때, 단열재 벽의 두께[m]는? (단, 단열재 벽의 열전도도는 0.5W⋅m^-1⋅K^-1 이고, 정상상태 한 방향 열전도를 가정한다)

10.01

20.02

30.05

40.1

정답 및 해설

단열재 벽의 두께는 0.01 m이다.

공식(푸리에 법칙): $q=\dfrac{k\,\Delta T}{L}\;\Rightarrow\;L=\dfrac{k\,\Delta T}{q}$

대입: $L=\dfrac{0.5\times(500-100)}{20000}$
결과: $L=\dfrac{200}{20000}=0.01\,\mathrm{m}$

온도차만 쓰므로 섭씨 차이와 절대온도 차이가 같아 단위 변환이 필요 없다.

문제 15

정상상태에서 분자확산을 기술하는 Fick의 제1법칙에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

ㄱ. 플럭스(flux)는 농도구배에 비례한다.
ㄴ. 확산거리와 플럭스(flux)는 비례한다.
ㄷ. 확산계수가 커지면 플럭스(flux)는 증가한다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답 및 해설

옳은 것은 플럭스가 농도구배에 비례한다는 것과 확산계수가 커지면 플럭스가 증가한다는 것이다.

Fick의 제1법칙은 $J_A=-D_{AB}\dfrac{dC_A}{dx}$ 이며, 정상상태에서는 $J_A=D_{AB}\dfrac{\Delta C_A}{\Delta x}$ 로 쓸 수 있다.

플럭스는 농도구배에 비례하므로 옳다.
확산거리가 분모에 있으므로 플럭스는 확산거리에 반비례하여, 비례한다는 진술은 틀리다.
확산계수는 비례상수이므로 커지면 플럭스가 증가하여 옳다.

문제 16

내경 40 cm인 원통형 도관 내부를 비압축성 뉴튼 유체 A가 평균 유속 20 cm⋅s^-1로 흐르고 있다. 이 흐름이 층류이고 패닝(Fanning) 마찰계수가 0.2일 때, 유체 A의 동점도[cm²⋅s^-1]는?

10.1

310

4100

정답 및 해설

유체 A의 동점도는 10 $cm^{2}/s$ 이다.

원관 층류의 패닝 마찰계수: $f=\dfrac{16}{Re}$
대입: $Re=\dfrac{16}{0.2}=80$

레이놀즈수 정의: $Re=\dfrac{\bar{v}D}{\nu}\;\Rightarrow\;\nu=\dfrac{\bar{v}D}{Re}$
대입: $\nu=\dfrac{20\times 40}{80}=10\,\mathrm{cm^2\,s^{-1}}$

층류에서는 마찰계수가 Re만의 함수이므로 마찰계수로부터 Re를 역산할 수 있다.

문제 17

비압축성 뉴튼 유체 A가 중심 유속이 4 m⋅s^-1인 정상상태의 완전발달흐름으로 단면적 1 m²인 원통형 도관 내부를 층류로 흐를 때, 유체 A의 부피 유속[m³⋅s^-1]은?

10.5

정답 및 해설

유체 A의 부피 유속은 2 $m^{3}/s$ 이다.

원관 내 완전발달 층류의 속도 분포는 포물선이므로 평균 유속은 중심 유속의 1/2이다.
$\bar{v}=\dfrac{v_{max}}{2}=\dfrac{4}{2}=2\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

공식: $Q=\bar{v}A$
대입: $Q=2\times 1$
결과: $Q=2\,\mathrm{m^3\,s^{-1}}$

문제 18

다공성 촉매를 이용한 불균일계 촉매반응에서의 물질전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1벌크(bulk) 유체의 속도가 충분히 빠르면 벌크 유체로부터 촉매 표면으로의 외부 물질전달 단계가 반응의 속도결정단계이다.

2촉매 입자의 크기가 작을수록 경계층의 두께가 줄어들어 외부 물질전달 저항이 줄어든다.

3벌크 유체의 속도는 촉매 입자 내부에서의 물질 확산에 영향을 주지 않는다.

4기공의 크기가 기체 분자의 평균자유경로보다 작으면 다공성 촉매 기공 내부에서의 기체 확산은 Knudsen 확산으로 설명할 수 있다.

정답 및 해설

벌크 유체 속도가 충분히 빠를 때 외부 물질전달이 속도결정단계가 된다는 설명이 옳지 않다.

유속이 빨라지면 촉매 표면의 경계층이 얇아져 외부 물질전달 저항이 작아지므로, 속도결정단계는 오히려 기공 내 확산이나 표면 반응으로 넘어간다.

촉매 입자가 작을수록 경계층이 얇아져 외부 물질전달 저항이 줄어든다는 설명은 옳다.
벌크 유체 속도는 입자 바깥의 경계층에만 영향을 주고 입자 내부 확산에는 영향을 주지 않으므로 옳다.
기공 크기가 평균자유경로보다 작으면 분자가 기공 벽과 주로 충돌하므로 Knudsen 확산으로 설명한다는 내용은 옳다.

문제 19

1 atm의 압력하에서 성분 A와 성분 B로 구성된 혼합물이 기－액 상평형을 이루고 있다. 액상에서 B의 몰분율이 0.2이고 기상에서 B의 부분압이 0.6 atm일 때, A에 대한 B의 상대 휘발도는? (단, 기상은 이상기체이고, 액상은 이상용액이다)

310

412

정답 및 해설

A에 대한 B의 상대 휘발도는 6이다.

기상 몰분율(돌턴 법칙): $y_B=\dfrac{0.6}{1}=0.6,\quad y_A=0.4$
액상 몰분율: $x_B=0.2,\quad x_A=0.8$

공식: $\alpha_{BA}=\dfrac{y_B/x_B}{y_A/x_A}$
대입: $\alpha_{BA}=\dfrac{0.6/0.2}{0.4/0.8}=\dfrac{3}{0.5}$
결과: $\alpha_{BA}=6$

상대 휘발도는 두 성분의 기액 분배비의 비이며, 이상용액에서는 순성분 증기압의 비와 같다.

문제 20

내경 0.1 m인 원통형 도관을 이용하여 유체 A를 4 cm⋅s^-1의 평균 유속으로 100m 이송할 때 발생하는 압력손실[Pa]은? (단, 유체 A의 밀도와 점도는 각각 0.8 g⋅cm^-3, 0.1 Pa⋅s이고, 유체의 흐름은 Hagen－Poiseuille 식을 만족한다)

11,080

21,280

31,480

41,680

정답 및 해설

압력손실은 1,280 Pa이다.

공식(Hagen–Poiseuille): $\Delta P=\dfrac{32\mu\bar{v}L}{D^2}$
SI 단위로 환산: $\bar{v}=0.04\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

대입: $\Delta P=\dfrac{32\times 0.1\times 0.04\times 100}{0.1^2}$
결과: $\Delta P=\dfrac{12.8}{0.01}=1280\,\mathrm{Pa}$

층류 압력손실 식에는 밀도가 들어가지 않으며, 밀도는 층류 여부(Re) 확인에만 쓰인다.

9급 지방직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

21년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

0.01440의 유효 숫자 개수는?

13개

24개

35개

46개

정답 및 해설

0.01440의 유효 숫자는 4개이다.

소수점 아래 첫 0이 아닌 숫자 앞의 0(0.0)은 자리만 나타내므로 유효 숫자가 아니다.

반면 0이 아닌 숫자 1, 4, 4와 소수점 아래 맨 끝의 0은 측정 정밀도를 나타내므로 유효 숫자로 센다. 따라서 1, 4, 4, 0의 네 자리이다.

문제 2

\tau=m\left|\dfrac{dv}{dy}\right|^{n-1}\dfrac{dv}{dy}

1유사가소성(pseudoplastic) 유체에 대한 n값은 1보다 크다.

2팽창성(dilatant) 유체의 점도는 전단 변형률이 증가함에 따라 증가한다.

3뉴튼 유체의 경우 n값은 1이다.

4m과 n의 값은 유체의 특성에 따라 달라진다.

정답 및 해설

유사가소성 유체의 n값은 1보다 작다는 점에서, n값이 1보다 크다는 진술이 옳지 않다.

팽창성 유체는 n>1이므로 전단 변형률이 증가하면 점도가 증가한다는 설명은 옳다.
n=1이면 식이 $\tau=m\dfrac{dv}{dy}$ 가 되어 뉴튼 유체가 되므로 옳다.
m(점조도 지수)과 n(유동 거동 지수)은 유체마다 다른 물성값이므로 옳다.

문제 3

흑체의 총복사방출능(emissive power)은 흑체 절대 온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은?

1뉴튼의 냉각법칙(Newton’s law of cooling)

2푸리에의 법칙(Fourier’s law)

3슈테판－볼츠만의 법칙(Stefan－Boltzmann’s law)

4플랑크의 법칙(Planck’s law)

정답 및 해설

흑체의 총복사방출능이 절대온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은 슈테판–볼츠만 법칙이다.

식으로 $E_b=\sigma T^4$ 이며, $\sigma$ 는 슈테판–볼츠만 상수이다.

뉴튼의 냉각법칙은 대류 열전달 속도가 표면과 유체의 온도차에 비례한다는 법칙이다.
푸리에의 법칙은 전도 열유속이 온도구배에 비례한다는 법칙이다.
플랑크의 법칙은 흑체 복사의 파장별 분포를 나타내며, 이를 전 파장에 대해 적분하면 슈테판–볼츠만 법칙이 된다.

문제 4

전달단위 수(number of transfer unit)가 4이고 전달단위 높이(height of transfer unit)가 2m인 충전 흡수탑의 높이[m]는?

416

정답 및 해설

충전 흡수탑의 높이는 전달단위 수와 전달단위 높이의 곱이므로 8 m이다.

공식: $Z=N_{OG}\times H_{OG}$
대입: $Z=4\times 2\,\mathrm{m}$
결과: $Z=8\,\mathrm{m}$

전달단위 수는 분리의 난이도, 전달단위 높이는 충전물의 물질전달 효율을 나타낸다.

문제 5

정답 및 해설

열전달 속도는 온도차를 직렬 저항의 합으로 나눈 $\dfrac{T_A-T_B}{R_A+R_B}$ 이다.

정상상태에서 두 층을 지나는 열량은 같으므로 열저항이 직렬로 연결된 회로와 같다.
$q=\dfrac{T_A-T_B}{R_A+R_B}$

저항 역수의 합은 병렬 연결의 합성 전도도이며, 온도차를 이것으로 나누면 단위가 $K^{2}/W$ 가 되어 열전달 속도가 아니다.
저항 역수의 합을 온도차로 나눈 식은 온도차와 저항의 자리가 뒤바뀌어 단위가 W가 되지 않는다.
저항 합을 온도차로 나눈 식은 열전달 속도의 역수로, 단위가 W가 아니다.

문제 6

분쇄공정에서 고려해야 할 재료 특성 중 마모에 대한 저항의 척도는?

1질김성(toughness)

2응집성(cohesivity)

3섬유성(fibrous nature)

4경도(hardness)

정답 및 해설

분쇄 재료 특성 중 마모에 대한 저항의 척도는 경도(hardness)이다.

경도가 높은 재료일수록 표면이 긁히거나 닳는 데 강하며, 분쇄기 부품의 마모도 커진다.

질김성(toughness)은 파괴되기까지 에너지를 흡수하는 능력, 즉 파괴 저항의 척도이다.
응집성(cohesivity)은 입자끼리 서로 달라붙는 성질로, 분쇄물의 뭉침·흐름성과 관련된다.
섬유성(fibrous nature)은 재료가 섬유 구조를 가져 찢기거나 뭉치는 성질로, 분쇄 방식 선택에 영향을 준다.

문제 7

불균일계 반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1고정층 반응기(fixed bed reactor)에서는 고체촉매를 충진⋅고정한 층에 반응기체를 흘려 준다.

2기포탑 반응기(bubble column reactor)는 탑 아래에 있는 기체 분산기를 통해 기체를 액상에 불어 넣는다.

3이동층 반응기(moving bed reactor)는 고체 입자가 반응기 내를 중력이나 기계적 힘을 통해 이동하면서 반응이 진행된다.

4유동층 반응기(fluidized bed reactor)는 유체의 유동을 크게 만들어 고정된 촉매와 유체 간의 강한 충돌을 유도하여 반응의 효율을 높일 수 있다.

정답 및 해설

유동층 반응기를 고정된 촉매와 유체의 충돌로 설명한 것이 옳지 않다.

고정층 반응기는 고체촉매를 충진·고정한 층에 반응기체를 흘려 보내는 형태로 옳다.
기포탑 반응기는 탑 아래의 기체 분산기로 기체를 액상에 불어 넣는 형태로 옳다.
이동층 반응기는 고체 입자가 중력이나 기계적 힘으로 반응기 안을 이동하며 반응하는 형태로 옳다.

문제 8

1블록선도(block diagram)

2상평형도(phase diagram)

3공정흐름도(process flow diagram)

4배관계장도(piping and instrumentation diagram)

정답 및 해설

장비·밸브·이음과 계장·제어라인까지 상세히 담은 도면은 배관계장도(P&ID)이다.

배관계장도는 배관 규격, 밸브, 계기, 제어 루프 등 설계·시공·운전에 필요한 세부 정보를 모두 표시한다.

블록선도는 공정 단위를 상자로 단순화해 흐름만 보이는 개략도이다.
상평형도는 온도·압력·조성에 따른 상의 존재 영역을 나타내는 그림으로 공정 도면이 아니다.
공정흐름도(PFD)는 주요 장치와 물질·에너지수지, 운전조건을 보여 주지만 밸브·계장 등 세부 사항은 생략한다.

문제 9

1y=3x-1

2y=-x+1

3y=x-1

4y=-3x+1

정답 및 해설

원료 공급선은 y=3x-1이다.

과냉각 액체 원료는 공급단에서 증기를 응축시키므로, 원료 1 mol당 내려가는 액체 증가량은 원료 1 mol과 응축된 증기 0.5 mol의 합이다.
$q=1+0.5=1.5$

공식: $y=\dfrac{q}{q-1}x-\dfrac{z_F}{q-1}$
대입: $y=\dfrac{1.5}{0.5}x-\dfrac{0.5}{0.5}$
결과: $y=3x-1$

과냉각 액체는 q>1이어서 기울기가 1보다 큰 양수가 된다.

문제 10

비압축성 뉴튼 유체의 흐름을 설명하는 Navier－Stokes 식을 유도할 수 있는 법칙은?

1아보가드로의 법칙

2질량보존의 법칙

3열역학 제2법칙

4뉴튼의 운동 제2법칙

정답 및 해설

Navier–Stokes 식은 뉴튼의 운동 제2법칙을 유체 요소에 적용해 유도한다.

유체 요소의 운동량 변화율이 압력·점성력·체적력의 합과 같다는 운동량 보존 식이 바로 Navier–Stokes 식이다.

아보가드로의 법칙은 같은 온도·압력·부피의 기체가 같은 분자 수를 가진다는 법칙으로 유체 운동과 무관하다.
질량보존의 법칙에서는 Navier–Stokes 식이 아닌 연속 방정식이 유도된다.
열역학 제2법칙은 엔트로피와 과정의 방향성을 다루며 운동방정식의 근거가 아니다.

문제 11

실제기체가 이상기체 상태 방정식을 근사적으로 만족시킬 수 있는 조건만을 모두 고르면?

ㄱ. 분자의 크기가 작을수록
ㄴ. 온도가 낮을수록
ㄷ. 압력이 낮을수록

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답 및 해설

이상기체에 가까워지는 조건은 분자의 크기가 작을수록과 압력이 낮을수록이다.

이상기체는 분자 자체의 부피와 분자 간 인력을 무시한 모델이므로, 분자가 작고 저압이라 분자 간 거리가 멀수록 실제기체가 이에 가까워진다.

분자의 크기가 작으면 분자 부피를 무시할 수 있어 옳다.
온도가 낮으면 분자 운동 에너지에 비해 분자 간 인력의 영향이 커지므로 오히려 이상기체에서 멀어진다(고온일수록 가까워진다).
압력이 낮으면 분자 간 거리가 멀어 인력과 부피 효과가 작아지므로 옳다.

문제 12

추출에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1고－액 추출은 침출(leaching)이라고도 한다.

2증류에 의한 분리가 비효율적인 액체 혼합물에 대해 액－액 추출은 주요 대체공정 중 하나이다.

3거의 같은 기포점을 갖는 석유제품들을 분리할 때 활용된다.

4추출용매에 대해 유사한 용해도를 갖는 성분들로 구성된 액체 혼합물의 분리에 효과적이다.

정답 및 해설

추출은 추출용매에 대한 용해도 차이를 이용하므로, 용해도가 비슷한 성분들의 분리에 효과적이라는 설명이 옳지 않다.

성분들의 용해도가 비슷하면 용매로 옮겨 가는 정도가 같아 선택도가 낮고 분리가 거의 일어나지 않는다.

고–액 추출은 침출(leaching)이라고도 부르므로 옳다.
상대휘발도가 1에 가깝거나 공비를 이루는 등 증류가 비효율적인 액체 혼합물에는 액–액 추출이 주요 대체 공정이므로 옳다.
끓는점이 거의 같은 석유제품(예: 방향족과 지방족 탄화수소)의 분리에 추출이 활용되므로 옳다.

문제 13

유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로의 흐름이 발생하는 것을 방지하기 위한 밸브는?

1게이트밸브

2글로브밸브

3체크밸브

4볼밸브

정답 및 해설

역방향 흐름을 막는 밸브는 체크밸브이다.

체크밸브는 유체가 정방향으로 흐를 때만 열리고, 흐름이 반대로 바뀌면 압력차로 자동으로 닫혀 역류를 방지한다.

게이트밸브는 유로를 완전히 열거나 닫는 개폐용 밸브이다.
글로브밸브는 유량을 세밀하게 조절하는 데 쓰는 밸브이다.
볼밸브는 구멍 뚫린 구를 회전시켜 빠르게 개폐하는 밸브이다.

문제 14

10.01

20.02

30.05

40.1

정답 및 해설

단열재 벽의 두께는 0.01 m이다.

공식(푸리에 법칙): $q=\dfrac{k\,\Delta T}{L}\;\Rightarrow\;L=\dfrac{k\,\Delta T}{q}$

대입: $L=\dfrac{0.5\times(500-100)}{20000}$
결과: $L=\dfrac{200}{20000}=0.01\,\mathrm{m}$

온도차만 쓰므로 섭씨 차이와 절대온도 차이가 같아 단위 변환이 필요 없다.

문제 15

정상상태에서 분자확산을 기술하는 Fick의 제1법칙에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

ㄱ. 플럭스(flux)는 농도구배에 비례한다.
ㄴ. 확산거리와 플럭스(flux)는 비례한다.
ㄷ. 확산계수가 커지면 플럭스(flux)는 증가한다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답 및 해설

옳은 것은 플럭스가 농도구배에 비례한다는 것과 확산계수가 커지면 플럭스가 증가한다는 것이다.

Fick의 제1법칙은 $J_A=-D_{AB}\dfrac{dC_A}{dx}$ 이며, 정상상태에서는 $J_A=D_{AB}\dfrac{\Delta C_A}{\Delta x}$ 로 쓸 수 있다.

플럭스는 농도구배에 비례하므로 옳다.
확산거리가 분모에 있으므로 플럭스는 확산거리에 반비례하여, 비례한다는 진술은 틀리다.
확산계수는 비례상수이므로 커지면 플럭스가 증가하여 옳다.

문제 16

10.1

310

4100

정답 및 해설

유체 A의 동점도는 10 $cm^{2}/s$ 이다.

원관 층류의 패닝 마찰계수: $f=\dfrac{16}{Re}$
대입: $Re=\dfrac{16}{0.2}=80$

레이놀즈수 정의: $Re=\dfrac{\bar{v}D}{\nu}\;\Rightarrow\;\nu=\dfrac{\bar{v}D}{Re}$
대입: $\nu=\dfrac{20\times 40}{80}=10\,\mathrm{cm^2\,s^{-1}}$

층류에서는 마찰계수가 Re만의 함수이므로 마찰계수로부터 Re를 역산할 수 있다.

문제 17

10.5

정답 및 해설

유체 A의 부피 유속은 2 $m^{3}/s$ 이다.

원관 내 완전발달 층류의 속도 분포는 포물선이므로 평균 유속은 중심 유속의 1/2이다.
$\bar{v}=\dfrac{v_{max}}{2}=\dfrac{4}{2}=2\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

공식: $Q=\bar{v}A$
대입: $Q=2\times 1$
결과: $Q=2\,\mathrm{m^3\,s^{-1}}$

문제 18

다공성 촉매를 이용한 불균일계 촉매반응에서의 물질전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1벌크(bulk) 유체의 속도가 충분히 빠르면 벌크 유체로부터 촉매 표면으로의 외부 물질전달 단계가 반응의 속도결정단계이다.

2촉매 입자의 크기가 작을수록 경계층의 두께가 줄어들어 외부 물질전달 저항이 줄어든다.

3벌크 유체의 속도는 촉매 입자 내부에서의 물질 확산에 영향을 주지 않는다.

4기공의 크기가 기체 분자의 평균자유경로보다 작으면 다공성 촉매 기공 내부에서의 기체 확산은 Knudsen 확산으로 설명할 수 있다.

정답 및 해설

벌크 유체 속도가 충분히 빠를 때 외부 물질전달이 속도결정단계가 된다는 설명이 옳지 않다.

촉매 입자가 작을수록 경계층이 얇아져 외부 물질전달 저항이 줄어든다는 설명은 옳다.
벌크 유체 속도는 입자 바깥의 경계층에만 영향을 주고 입자 내부 확산에는 영향을 주지 않으므로 옳다.
기공 크기가 평균자유경로보다 작으면 분자가 기공 벽과 주로 충돌하므로 Knudsen 확산으로 설명한다는 내용은 옳다.

문제 19

310

412

정답 및 해설

A에 대한 B의 상대 휘발도는 6이다.

기상 몰분율(돌턴 법칙): $y_B=\dfrac{0.6}{1}=0.6,\quad y_A=0.4$
액상 몰분율: $x_B=0.2,\quad x_A=0.8$

공식: $\alpha_{BA}=\dfrac{y_B/x_B}{y_A/x_A}$
대입: $\alpha_{BA}=\dfrac{0.6/0.2}{0.4/0.8}=\dfrac{3}{0.5}$
결과: $\alpha_{BA}=6$

상대 휘발도는 두 성분의 기액 분배비의 비이며, 이상용액에서는 순성분 증기압의 비와 같다.

문제 20

11,080

21,280

31,480

41,680

정답 및 해설

압력손실은 1,280 Pa이다.

공식(Hagen–Poiseuille): $\Delta P=\dfrac{32\mu\bar{v}L}{D^2}$
SI 단위로 환산: $\bar{v}=0.04\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

대입: $\Delta P=\dfrac{32\times 0.1\times 0.04\times 100}{0.1^2}$
결과: $\Delta P=\dfrac{12.8}{0.01}=1280\,\mathrm{Pa}$

층류 압력손실 식에는 밀도가 들어가지 않으며, 밀도는 층류 여부(Re) 확인에만 쓰인다.