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

18년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 지방직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

18년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

전압이 0.9atm이고 수증기 분압이 0.18atm인 공기의 절대습도[kg H₂O/kg dry air]는? (단, 수증기의 분자량은 18g/mol이고 건조공기의 분자량은 30g/mol로 가정한다)

10.12

20.15

30.25

40.42

정답 및 해설

절대습도는 0.15 kg $\mathrm{H_2O}$ /kg 건조공기이다.

절대습도는 수증기 질량을 건조공기 질량으로 나눈 값이므로 몰비에 분자량비를 곱한다.
$H=\dfrac{M_w}{M_a}\cdot\dfrac{p_w}{P-p_w}$

값을 대입한다.
$H=\dfrac{18}{30}\times\dfrac{0.18}{0.9-0.18}=0.6\times0.25=0.15$

분모에 전압을 그대로 쓰면 건조공기가 아닌 습윤공기 기준이 되므로, 반드시 건조공기 분압(전압−수증기 분압)을 써야 한다.

문제 2

반응 (가)와 (나)의 표준생성열(standard heat of formation)이 다음과 같을 때, 반응 (다)의 표준반응열(standard heat of reaction)[kcal/mol]은?

(가) $\mathrm{C(s)+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)},\ \Delta H^{\circ}_{f}=-94.1\,\mathrm{kcal/mol}$
(나) $\mathrm{C(s)+\dfrac{1}{2}O_2(g)\rightarrow CO(g)},\ \Delta H^{\circ}_{f}=-26.4\,\mathrm{kcal/mol}$
(다) $\mathrm{CO(g)+\dfrac{1}{2}O_2(g)\rightarrow CO_2(g)}$

1－41.3

2－67.7

341.3

467.7

정답 및 해설

헤스 법칙으로 (다)=(가)−(나)이므로 표준반응열은 −67.7 kcal/mol이다.

반응열은 생성물 생성열 합에서 반응물 생성열 합을 뺀다.
$\Delta H_{rxn}=\Delta H_{f,\mathrm{CO_2}}-\Delta H_{f,\mathrm{CO}}$
$=-94.1-(-26.4)=-67.7\,\mathrm{kcal/mol}$

홑원소 물질인 산소의 생성열은 0이며, CO의 연소는 발열 반응이므로 부호가 음수다.

양수 67.7은 빼는 순서를 뒤집어 부호가 바뀐 값이다.
−41.3은 두 생성열의 차(−67.7)와 맞지 않는다.
41.3도 생성물에서 반응물을 뺀 값과 크기·부호가 모두 다르다.

문제 3

휘발성의 차이를 이용하여 액체 혼합물의 각 성분을 분리하는 조작은?

1추출

2흡수

3흡착

4증류

정답 및 해설

휘발성(증기압) 차이로 액체 혼합물을 분리하는 조작은 증류이다.

증류는 가열해 생긴 증기에 휘발성이 큰 성분이 더 많이 들어가는 기액평형을 이용한다.

추출: 용매에 대한 용해도 차이를 이용해 성분을 옮겨 분리한다.
흡수: 기체 성분을 액체 흡수제에 녹여 분리하는 조작이다.
흡착: 고체 표면에 특정 성분이 달라붙는 성질을 이용한다.

문제 4

대류에 의한 열전달에 해당하는 법칙은?

1Stefan-Boltzmann 법칙

2Fourier의 법칙

3Fick의 법칙

4Newton의 냉각법칙

정답 및 해설

대류 열전달을 나타내는 법칙은 Newton의 냉각법칙이다.

대류 열전달 속도는 열전달계수·면적·고체 표면과 유체의 온도차에 비례한다.
$q=hA\left(T_s-T_\infty\right)$

Stefan-Boltzmann 법칙: 복사 에너지가 절대온도의 4제곱에 비례함을 나타낸다.
Fourier의 법칙: 전도 열전달이 온도구배에 비례함을 나타낸다.
Fick의 법칙: 열이 아닌 물질의 확산(농도구배에 비례)을 나타낸다.

문제 5

두께가 500mm인 벽돌 벽에서 단위면적(1m²)당 80kcal/h의 열손실이 발생하고 있다. 벽 내면의 온도가 900℃라 할 때, 벽 외면의 온도[℉]는? (단, 이 벽돌의 열전도도는 0.1kcal/hㆍmㆍ℃이다)

141

2122

3932

49,032

정답 및 해설

벽 외면 온도는 500℃ = 932℉이다.

평면벽 전도의 Fourier 식으로 온도차를 구한다.
$\dfrac{q}{A}=k\dfrac{\Delta T}{L}\;\Rightarrow\;\Delta T=\dfrac{(q/A)L}{k}$

값을 대입한다(두께 500 mm = 0.5 m).
$\Delta T=\dfrac{80\times0.5}{0.1}=400\,\mathrm{^\circ C}$
외면 온도는 900 − 400 = 500℃이다.

화씨로 환산한다.
$T_F=1.8\times500+32=932$

섭씨 값을 그대로 고르거나 환산식의 32 가산을 빠뜨리지 않도록 주의한다.

문제 6

우리나라에서 8월에 측정된 복사체의 표면온도는 A°C였으며, 같은 해 12월에 측정된 복사체의 표면온도는 B°C였다. 동일한 복사체 표면에서 8월에 방출된 단위시간당 복사에너지는 12월의 몇 배인가? (단, 복사체의 복사율은 일정하다고 가정한다)

1A²/B²

2A⁴/B⁴

3(A＋273.15)²/(B＋273.15)²

4(A＋273.15)⁴/(B＋273.15)⁴

정답 및 해설

방출 복사에너지 비는 절대온도의 4제곱 비인 $\dfrac{(A+273.15)^4}{(B+273.15)^4}$ 이다.

Stefan-Boltzmann 법칙에 따라 복사율과 면적이 같으면 방출에너지는 표면 절대온도의 4제곱에만 비례한다.
$E=\varepsilon\sigma T^4$

섭씨온도를 그대로 4제곱한 비: 복사 법칙의 온도는 절대온도(K)이므로 273.15를 더해야 한다.
섭씨온도의 제곱 비: 온도 단위와 지수가 모두 틀렸다.
절대온도의 제곱 비: 지수가 4가 아니라 2로 잘못되었다.

문제 7

정류탑(rectification tower)이나 충전탑(packed column)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1정류탑을 실제 운전할 때 공장은 조업 유연성을 확보하기 위하여 최적환류비보다 더 큰 환류비로 조업하기도 한다.

2정류탑에서 원료가 공급되는 단을 원료 공급단이라 하며, 저비점 성분은 윗단으로 올라갈수록 적어지고 아랫단으로 내려갈수록 많아진다.

3충전탑에서 액체가 한쪽으로만 흐르는 현상을 편류(channeling)라고 하며, 충전탑의 기능을 저하시키는 요인이 된다.

4충전탑은 라시히 링(Raschig ring)과 같은 충전물을 채운 것으로서 이 충전물의 표면에서 기체와 액체의 접촉이 연속적으로 일어나도록 되어 있다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 저비점 성분이 윗단으로 갈수록 적어진다는 내용이다.

정류탑에서는 휘발성이 큰 저비점 성분이 증기와 함께 위로 농축되므로 윗단으로 갈수록 많아지고 아랫단(재비기 쪽)으로 갈수록 적어진다.

최적환류비보다 큰 환류비 조업: 운전 비용은 늘지만 원료 변동에 대한 조업 유연성을 얻기 위해 실제로 그렇게 운전하기도 한다.
편류(channeling): 액체가 한쪽으로만 흘러 기액 접촉 면적이 줄어 충전탑 성능을 떨어뜨린다.
라시히 링 등 충전물: 충전물 표면에서 기체와 액체가 연속적으로 접촉하는 것이 충전탑의 원리이다.

문제 8

0.5mm의 간격으로 놓여 있는 두 개의 평행한 판 사이에 점도가 1.0×10^-3Nㆍs/m²인 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 채워져 있다. 위쪽 판을 2m/s의 속도로 이동시킬 때, 전단응력[N/m²]은?

정답 및 해설

평행판 사이 층류에서 속도분포가 선형이므로 전단응력은 4 $N/m^{2}$ 이다.

뉴턴의 점성 법칙을 적용한다.
$\tau=\mu\dfrac{dv}{dy}=\mu\dfrac{v}{\Delta y}$
$=1.0\times10^{-3}\times\dfrac{2}{0.5\times10^{-3}}=4\,\mathrm{N/m^2}$

간격을 반드시 m 단위로 환산(0.5 mm = 0.0005 m)한 뒤 대입해야 한다.

2는 간격을 1 mm로 잘못 본 경우의 값이다.
6은 점성 법칙의 대입 결과와 맞지 않는다.
8은 간격을 0.25 mm로 본 경우의 값으로, 주어진 간격과 맞지 않는다.

문제 9

다음은 에테인(C₂H₆)으로부터 탄소(C)를 생산할 때 일어나는 반응이다. 수소(H₂) 3mol과 에틸렌(C₂H₄) 1mol이 생성되었을 경우, 생산된 탄소의 질량[g]은? (단, C의 원자량은 12g/mol이다)

$\mathrm{C_2H_6\rightarrow 2C+3H_2}$
$\mathrm{C_2H_6\rightarrow C_2H_4+H_2}$

112

216

320

424

정답 및 해설

탄소 생성 반응에서 나온 수소가 2 mol이므로 생산된 탄소는 16 g이다.

에틸렌 1 mol이 생기는 반응에서 수소도 1 mol 생기므로, 나머지 수소 2 mol은 탄소 생성 반응에서 나온 것이다.
$n_{\mathrm{C}}=2\times\dfrac{2}{3}=\dfrac{4}{3}\,\mathrm{mol}$
$m=\dfrac{4}{3}\times12=16\,\mathrm{g}$

핵심은 두 반응의 수소 생성량을 나누어 계산하는 것이다.

24 g은 수소 3 mol 전부를 탄소 생성 반응에 배정한 값이다.
12 g은 탄소 1 mol에 해당하며 화학양론비(탄소 2 : 수소 3)와 맞지 않는다.
20 g도 수소 2 mol에서 나오는 탄소량과 맞지 않는다.

문제 10

이중관식 열교환기(double pipe heat exchanger)에 대한 설명으로 옳은 것은?

1병류(parallel flow)의 경우, 두 관 액체 사이의 온도 차이가 입구에서는 작지만 출구로 갈수록 커진다.

2열교환기를 설계하기 위해 두 관 액체 사이의 평균 온도 차이를 구하는 경우, 입구에서의 온도 차이와 출구에서의 온도 차이의 산술평균을 주로 사용한다.

3관의 길이가 길수록 전체 열 교환량은 감소한다.

4관을 통한 열 교환은 대류－전도－대류의 방식으로 이루어진다.

정답 및 해설

옳은 설명은 관을 통한 열교환이 대류−전도−대류 방식으로 이루어진다는 것이다.

뜨거운 유체에서 관벽까지는 대류, 관벽 두께를 지날 때는 전도, 관벽에서 차가운 유체까지는 다시 대류로 열이 전달되어 저항이 직렬로 연결된다.

병류의 온도차: 두 유체가 같은 쪽에서 들어오므로 온도차는 입구에서 가장 크고 출구로 갈수록 작아진다.
평균 온도차: 설계에는 산술평균이 아니라 대수평균 온도차(LMTD)를 주로 사용한다.
관 길이: 관이 길수록 전열 면적이 커져 전체 열교환량은 증가한다.

문제 11

A＋B→C로 주어진 반응의 반응속도[mol/Lㆍs]식이 다음과 같을 때, 속도상수(k)의 단위는?

-r_A=k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]

11/s

21/molㆍs

3L/molㆍs

4L²/mol²ㆍs

정답 및 해설

전체 반응차수가 3차이므로 속도상수의 단위는 $L^{2}/mol^{2}$ ·s이다.

양변의 단위를 맞춘다.
$\mathrm{\dfrac{mol}{L\cdot s}}=k\left(\mathrm{\dfrac{mol}{L}}\right)^3$
$k=\mathrm{\dfrac{L^2}{mol^2\cdot s}}$

일반적으로 n차 반응의 속도상수 단위는 (농도)의 (1−n)제곱 × 시간⁻¹이다.

1/s는 1차 반응의 속도상수 단위다.
L/mol·s는 2차 반응의 속도상수 단위다.
1/mol·s는 농도 단위가 맞지 않아 어느 차수에도 해당하지 않는다.

문제 12

정류탑을 구성하는 요소장치가 아닌 것은?

1재비기(reboiler)

2응축기(condensor)

3단(stage)

4임펠러(impeller)

정답 및 해설

정류탑의 요소장치가 아닌 것은 임펠러(impeller)이다.

임펠러는 펌프·교반기에서 유체에 운동에너지를 주는 회전 날개로, 증류탑 구성과 무관하다. 정류탑은 탑 본체의 단·재비기·응축기로 이루어진다.

재비기: 탑 바닥 액체를 가열해 상승 증기를 만든다.
응축기: 탑 꼭대기 증기를 응축해 제품과 환류액을 얻는다.
단: 증기와 액체가 접촉해 기액평형에 가까워지는 탑 내부 구조이다.

문제 13

내경 15cm인 원형 도관을 흐르는 유체의 레이놀즈 수(Re)가 3,000일 때, 유체의 평균유속[m/s]은? (단, 유체의 밀도는 1,000kg/m³이며, 유체의 점도는 1cP이다)

10.02

20.2

420

정답 및 해설

평균유속은 0.02 m/s이다.

레이놀즈 수 정의를 유속에 대해 정리한다.
$Re=\dfrac{\rho uD}{\mu}\;\Rightarrow\;u=\dfrac{Re\,\mu}{\rho D}$

SI 단위로 바꿔 대입한다(1 cP = 0.001 Pa·s, D = 0.15 m).
$u=\dfrac{3000\times0.001}{1000\times0.15}=0.02\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

점도를 cP 그대로 1로 넣거나 내경을 cm로 넣으면 자릿수가 틀린 값이 나온다.

문제 14

100℃의 금속 조각 0.5kg을 물 1kg이 들어 있는 비커에 넣었더니 물 온도가 18℃에서 20℃로 증가하였다. 금속 조각의 열용량[J/gㆍ℃]은? (단, 비커는 완전히 단열되어 있고, 물과 금속 조각의 체적 변화는 없으며, 물의 열용량은 4J/gㆍ℃이다)

10.2

20.4

30.6

40.8

정답 및 해설

금속 조각의 비열(단위 질량당 열용량)은 0.2 J/g·℃이다.

단열 조건이므로 금속이 잃은 열 = 물이 얻은 열이다.
$m_mc_m\left(T_m-T_f\right)=m_wc_w\left(T_f-T_w\right)$

값을 대입한다(최종 온도 20℃).
$500\times c_m\times(100-20)=1000\times4\times(20-18)$
$40000\,c_m=8000\;\Rightarrow\;c_m=0.2$

금속의 온도 변화는 100℃에서 평형온도 20℃까지의 80℃이고, 물의 온도 변화는 2℃임에 주의한다.

문제 15

4℃의 물이 10mol/s의 몰유속(molar flow rate)으로 단면적이 10cm²인 관을 흐르고 있다. 이 흐름이 플러그 흐름(plug flow)일 때, 관 중심에서의 유속[cm/s]은? (단, 물의 분자량은 18g/mol이다)

118

236

372

4144

정답 및 해설

관 중심 유속은 18 cm/s이다.

플러그 흐름은 단면 전체의 속도가 균일하므로 관 중심 유속이 곧 평균유속이다.
$u=\dfrac{Q}{A}=\dfrac{\dot n M/\rho}{A}$

4℃ 물의 밀도는 1 $g/cm^{3}$ 이므로 체적유량을 구해 대입한다.
$Q=\dfrac{10\times18}{1}=180\,\mathrm{cm^3\,s^{-1}}$
$u=\dfrac{180}{10}=18\,\mathrm{cm\,s^{-1}}$

층류 포물선 분포처럼 중심 유속을 평균의 2배로 잡는 것은 플러그 흐름에는 해당하지 않는다.

문제 16

분체의 체 분리(screening)에 대한 설명으로 옳은 것은?

1입자 크기와 입자 밀도를 이용하여 입자를 분리하는 방법이다.

2Tyler 표준체의 어느 한 체의 개방공(screen opening) 면적은 그 다음 작은 체의 개방공 면적의 4배이다.

3메쉬(mesh) 숫자가 클수록 작은 입자를 분리할 수 있다.

4150메쉬보다 미세한 체일수록 공업적으로 더 많이 사용된다.

정답 및 해설

옳은 설명은 메쉬 숫자가 클수록 작은 입자를 분리할 수 있다는 것이다.

메쉬는 단위 길이(1인치)당 눈의 수이므로 숫자가 클수록 눈이 촘촘해져 개방공이 작아진다.

분리 기준: 체 분리는 입자의 크기만으로 나누며 밀도는 이용하지 않는다(밀도 차는 침강·분급에서 이용).
Tyler 표준체: 이웃한 체의 개방공 한 변 길이 비가 √2이므로 면적 비는 4배가 아니라 2배이다.
미세한 체: 아주 고운 체는 눈막힘과 처리량 저하로 공업적 사용이 오히려 줄어든다.

문제 17

다음은 원형 도관에 유체가 흐를 때 마찰에 의한 압력손실을 나타내는 식이다. △P는 압력손실, f는 마찰계수, ρ는 유체의 밀도, u는 평균유속, L_p는 도관의 길이, D는 도관의 직경일 때, f의 차원은? (단, M은 질량, L은 길이, T는 시간을 나타낸다)

1무차원

2ML^-1

3MT^-3

4ML^-1T^-1

정답 및 해설

마찰계수 f는 무차원이다.

원형관 마찰 압력손실은 마찰계수에 운동에너지 항과 길이/직경 비를 곱한 꼴이다(상수 계수는 정의에 따라 다름).
$\Delta P\propto f\,\rho u^2\dfrac{L_p}{D}$

차원을 비교하면 $\rho u^2$ 는 $\mathrm{ML^{-3}\cdot L^2T^{-2}=ML^{-1}T^{-2}}$ 로 압력과 같고, $L_p/D$ 는 무차원이다.
따라서 양변의 차원이 이미 맞으므로 f에는 남는 차원이 없다.

$\mathrm{ML^{-1}}$ : f에 이 차원이 붙으면 우변이 압력 차원과 맞지 않는다.
$\mathrm{MT^{-3}}$ : 마찬가지로 우변 차원이 압력과 달라진다.
$\mathrm{ML^{-1}T^{-1}}$ : 점도의 차원으로, 마찰계수의 차원이 아니다.

문제 18

흡수탑을 사용하여 성분(A)을 흡수할 때 기액 계면 근처에서의 농도구배는 그림 (가)와 같다. 이 그림에서 x_A와 y_A는 각각 벌크 액체와 벌크 기체의 몰분율이고, x_Ai와 x_Ai는 각각 기액 계면에서 액체와 기체의 몰분율이다. A의 물질전달속도(r)는 총괄 물질전달계수(K_y, overall mass transfer coefficient)를 사용하여 식 (나)와 같이 나타낼 수 있다. 개별 물질전달계수(individual mass transfer coefficient)는 액상에서 0.2mol/m²ㆍs이고 기상에서 0.1molm²/ㆍs라고 할 때, 총괄 물질전달저항(1/K_y)의 값[m²ㆍs/mol]은? (단, 기체흡수는 이중경막론을 따르고, y_Ai＝0.8x_Ai이며,

＝0.8x_A이다)

114

218

324

430

정답 및 해설

이중경막론에서 총괄 기상 저항은 기상 저항과 기울기를 곱한 액상 저항의 합이므로 14 m²·s/mol이다.

평형선 기울기 $m=0.8$ 을 쓴다.
$\dfrac{1}{K_y}=\dfrac{1}{k_y}+\dfrac{m}{k_x}$
$=\dfrac{1}{0.1}+\dfrac{0.8}{0.2}=10+4=14\,\mathrm{m^2\cdot s/mol}$

액상 저항에 평형 기울기 m을 곱해 기상 기준으로 환산하는 것이 핵심이다.

18은 기상 저항 10과 액상 저항 4의 합보다 커서 직렬 저항 합과 맞지 않는다.
24는 액상 저항을 과대 반영한 값으로 계산 결과와 맞지 않는다.
30도 주어진 계수를 대입한 결과와 맞지 않는다.

문제 19

앞먹임 제어(feedforward control)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1공정에 미치는 외부 교란변수의 영향을 미리 보정하는 제어이다.

2외부 교란변수를 사전에 측정하여 제어에 이용한다.

3공정의 출력을 제어에 이용한다.

4제어루프는 감지기, 제어기, 가동장치를 포함한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 앞먹임 제어가 공정의 출력을 제어에 이용한다는 내용이다.

출력을 측정해 설정값과 비교하는 것은 되먹임(feedback) 제어이고, 앞먹임 제어는 외부 교란변수를 측정해 출력에 영향이 나타나기 전에 미리 보정한다.

교란 영향의 사전 보정: 앞먹임 제어의 정의 그대로이다.
교란변수의 사전 측정: 교란을 감지기로 측정해 제어기 입력으로 쓴다.
감지기·제어기·가동장치: 앞먹임 제어 루프도 이 세 요소로 구성된다.

문제 20

정류탑에서 공급원료의 상태는 공급원료 1몰 중 탈거부(stripping section)로 내려가는 액체의 몰수로 정의되는 q인자를 사용해서 표시할 수 있다. 이 때 q인자가 음수인 경우는?

1차가운 액체를 공급할 경우

2포화증기를 공급할 경우

3과열증기를 공급할 경우

4포화액체를 공급할 경우

정답 및 해설

q인자가 음수인 경우는 과열증기를 공급할 때이다.

과열증기는 포화증기가 되기 위해 현열을 내놓으면서 탑 안의 액체 일부를 증발시키므로, 탈거부로 내려가는 액체가 오히려 줄어 q < 0이 된다.

차가운(과냉) 액체: 공급액이 포화온도까지 데워지며 증기를 일부 응축시키므로 q > 1이다.
포화증기: 공급원료가 모두 증기로 위로 올라가므로 q = 0이다.
포화액체: 공급원료 전량이 액체로 내려가므로 q = 1이다.

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18년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

10.12

20.15

30.25

40.42

정답 및 해설

절대습도는 0.15 kg $\mathrm{H_2O}$ /kg 건조공기이다.

절대습도는 수증기 질량을 건조공기 질량으로 나눈 값이므로 몰비에 분자량비를 곱한다.
$H=\dfrac{M_w}{M_a}\cdot\dfrac{p_w}{P-p_w}$

값을 대입한다.
$H=\dfrac{18}{30}\times\dfrac{0.18}{0.9-0.18}=0.6\times0.25=0.15$

분모에 전압을 그대로 쓰면 건조공기가 아닌 습윤공기 기준이 되므로, 반드시 건조공기 분압(전압−수증기 분압)을 써야 한다.

문제 2

반응 (가)와 (나)의 표준생성열(standard heat of formation)이 다음과 같을 때, 반응 (다)의 표준반응열(standard heat of reaction)[kcal/mol]은?

(가) $\mathrm{C(s)+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)},\ \Delta H^{\circ}_{f}=-94.1\,\mathrm{kcal/mol}$
(나) $\mathrm{C(s)+\dfrac{1}{2}O_2(g)\rightarrow CO(g)},\ \Delta H^{\circ}_{f}=-26.4\,\mathrm{kcal/mol}$
(다) $\mathrm{CO(g)+\dfrac{1}{2}O_2(g)\rightarrow CO_2(g)}$

1－41.3

2－67.7

341.3

467.7

정답 및 해설

헤스 법칙으로 (다)=(가)−(나)이므로 표준반응열은 −67.7 kcal/mol이다.

반응열은 생성물 생성열 합에서 반응물 생성열 합을 뺀다.
$\Delta H_{rxn}=\Delta H_{f,\mathrm{CO_2}}-\Delta H_{f,\mathrm{CO}}$
$=-94.1-(-26.4)=-67.7\,\mathrm{kcal/mol}$

홑원소 물질인 산소의 생성열은 0이며, CO의 연소는 발열 반응이므로 부호가 음수다.

양수 67.7은 빼는 순서를 뒤집어 부호가 바뀐 값이다.
−41.3은 두 생성열의 차(−67.7)와 맞지 않는다.
41.3도 생성물에서 반응물을 뺀 값과 크기·부호가 모두 다르다.

문제 3

휘발성의 차이를 이용하여 액체 혼합물의 각 성분을 분리하는 조작은?

1추출

2흡수

3흡착

4증류

정답 및 해설

휘발성(증기압) 차이로 액체 혼합물을 분리하는 조작은 증류이다.

증류는 가열해 생긴 증기에 휘발성이 큰 성분이 더 많이 들어가는 기액평형을 이용한다.

추출: 용매에 대한 용해도 차이를 이용해 성분을 옮겨 분리한다.
흡수: 기체 성분을 액체 흡수제에 녹여 분리하는 조작이다.
흡착: 고체 표면에 특정 성분이 달라붙는 성질을 이용한다.

문제 4

대류에 의한 열전달에 해당하는 법칙은?

1Stefan-Boltzmann 법칙

2Fourier의 법칙

3Fick의 법칙

4Newton의 냉각법칙

정답 및 해설

대류 열전달을 나타내는 법칙은 Newton의 냉각법칙이다.

대류 열전달 속도는 열전달계수·면적·고체 표면과 유체의 온도차에 비례한다.
$q=hA\left(T_s-T_\infty\right)$

Stefan-Boltzmann 법칙: 복사 에너지가 절대온도의 4제곱에 비례함을 나타낸다.
Fourier의 법칙: 전도 열전달이 온도구배에 비례함을 나타낸다.
Fick의 법칙: 열이 아닌 물질의 확산(농도구배에 비례)을 나타낸다.

문제 5

141

2122

3932

49,032

정답 및 해설

벽 외면 온도는 500℃ = 932℉이다.

평면벽 전도의 Fourier 식으로 온도차를 구한다.
$\dfrac{q}{A}=k\dfrac{\Delta T}{L}\;\Rightarrow\;\Delta T=\dfrac{(q/A)L}{k}$

값을 대입한다(두께 500 mm = 0.5 m).
$\Delta T=\dfrac{80\times0.5}{0.1}=400\,\mathrm{^\circ C}$
외면 온도는 900 − 400 = 500℃이다.

화씨로 환산한다.
$T_F=1.8\times500+32=932$

섭씨 값을 그대로 고르거나 환산식의 32 가산을 빠뜨리지 않도록 주의한다.

문제 6

1A²/B²

2A⁴/B⁴

3(A＋273.15)²/(B＋273.15)²

4(A＋273.15)⁴/(B＋273.15)⁴

정답 및 해설

방출 복사에너지 비는 절대온도의 4제곱 비인 $\dfrac{(A+273.15)^4}{(B+273.15)^4}$ 이다.

Stefan-Boltzmann 법칙에 따라 복사율과 면적이 같으면 방출에너지는 표면 절대온도의 4제곱에만 비례한다.
$E=\varepsilon\sigma T^4$

섭씨온도를 그대로 4제곱한 비: 복사 법칙의 온도는 절대온도(K)이므로 273.15를 더해야 한다.
섭씨온도의 제곱 비: 온도 단위와 지수가 모두 틀렸다.
절대온도의 제곱 비: 지수가 4가 아니라 2로 잘못되었다.

문제 7

정류탑(rectification tower)이나 충전탑(packed column)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1정류탑을 실제 운전할 때 공장은 조업 유연성을 확보하기 위하여 최적환류비보다 더 큰 환류비로 조업하기도 한다.

2정류탑에서 원료가 공급되는 단을 원료 공급단이라 하며, 저비점 성분은 윗단으로 올라갈수록 적어지고 아랫단으로 내려갈수록 많아진다.

3충전탑에서 액체가 한쪽으로만 흐르는 현상을 편류(channeling)라고 하며, 충전탑의 기능을 저하시키는 요인이 된다.

4충전탑은 라시히 링(Raschig ring)과 같은 충전물을 채운 것으로서 이 충전물의 표면에서 기체와 액체의 접촉이 연속적으로 일어나도록 되어 있다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 저비점 성분이 윗단으로 갈수록 적어진다는 내용이다.

정류탑에서는 휘발성이 큰 저비점 성분이 증기와 함께 위로 농축되므로 윗단으로 갈수록 많아지고 아랫단(재비기 쪽)으로 갈수록 적어진다.

최적환류비보다 큰 환류비 조업: 운전 비용은 늘지만 원료 변동에 대한 조업 유연성을 얻기 위해 실제로 그렇게 운전하기도 한다.
편류(channeling): 액체가 한쪽으로만 흘러 기액 접촉 면적이 줄어 충전탑 성능을 떨어뜨린다.
라시히 링 등 충전물: 충전물 표면에서 기체와 액체가 연속적으로 접촉하는 것이 충전탑의 원리이다.

문제 8

정답 및 해설

평행판 사이 층류에서 속도분포가 선형이므로 전단응력은 4 $N/m^{2}$ 이다.

뉴턴의 점성 법칙을 적용한다.
$\tau=\mu\dfrac{dv}{dy}=\mu\dfrac{v}{\Delta y}$
$=1.0\times10^{-3}\times\dfrac{2}{0.5\times10^{-3}}=4\,\mathrm{N/m^2}$

간격을 반드시 m 단위로 환산(0.5 mm = 0.0005 m)한 뒤 대입해야 한다.

2는 간격을 1 mm로 잘못 본 경우의 값이다.
6은 점성 법칙의 대입 결과와 맞지 않는다.
8은 간격을 0.25 mm로 본 경우의 값으로, 주어진 간격과 맞지 않는다.

문제 9

$\mathrm{C_2H_6\rightarrow 2C+3H_2}$
$\mathrm{C_2H_6\rightarrow C_2H_4+H_2}$

112

216

320

424

정답 및 해설

탄소 생성 반응에서 나온 수소가 2 mol이므로 생산된 탄소는 16 g이다.

핵심은 두 반응의 수소 생성량을 나누어 계산하는 것이다.

24 g은 수소 3 mol 전부를 탄소 생성 반응에 배정한 값이다.
12 g은 탄소 1 mol에 해당하며 화학양론비(탄소 2 : 수소 3)와 맞지 않는다.
20 g도 수소 2 mol에서 나오는 탄소량과 맞지 않는다.

문제 10

이중관식 열교환기(double pipe heat exchanger)에 대한 설명으로 옳은 것은?

1병류(parallel flow)의 경우, 두 관 액체 사이의 온도 차이가 입구에서는 작지만 출구로 갈수록 커진다.

3관의 길이가 길수록 전체 열 교환량은 감소한다.

4관을 통한 열 교환은 대류－전도－대류의 방식으로 이루어진다.

정답 및 해설

옳은 설명은 관을 통한 열교환이 대류−전도−대류 방식으로 이루어진다는 것이다.

뜨거운 유체에서 관벽까지는 대류, 관벽 두께를 지날 때는 전도, 관벽에서 차가운 유체까지는 다시 대류로 열이 전달되어 저항이 직렬로 연결된다.

병류의 온도차: 두 유체가 같은 쪽에서 들어오므로 온도차는 입구에서 가장 크고 출구로 갈수록 작아진다.
평균 온도차: 설계에는 산술평균이 아니라 대수평균 온도차(LMTD)를 주로 사용한다.
관 길이: 관이 길수록 전열 면적이 커져 전체 열교환량은 증가한다.

문제 11

A＋B→C로 주어진 반응의 반응속도[mol/Lㆍs]식이 다음과 같을 때, 속도상수(k)의 단위는?

-r_A=k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]

11/s

21/molㆍs

3L/molㆍs

4L²/mol²ㆍs

정답 및 해설

전체 반응차수가 3차이므로 속도상수의 단위는 $L^{2}/mol^{2}$ ·s이다.

양변의 단위를 맞춘다.
$\mathrm{\dfrac{mol}{L\cdot s}}=k\left(\mathrm{\dfrac{mol}{L}}\right)^3$
$k=\mathrm{\dfrac{L^2}{mol^2\cdot s}}$

일반적으로 n차 반응의 속도상수 단위는 (농도)의 (1−n)제곱 × 시간⁻¹이다.

1/s는 1차 반응의 속도상수 단위다.
L/mol·s는 2차 반응의 속도상수 단위다.
1/mol·s는 농도 단위가 맞지 않아 어느 차수에도 해당하지 않는다.

문제 12

정류탑을 구성하는 요소장치가 아닌 것은?

1재비기(reboiler)

2응축기(condensor)

3단(stage)

4임펠러(impeller)

정답 및 해설

정류탑의 요소장치가 아닌 것은 임펠러(impeller)이다.

재비기: 탑 바닥 액체를 가열해 상승 증기를 만든다.
응축기: 탑 꼭대기 증기를 응축해 제품과 환류액을 얻는다.
단: 증기와 액체가 접촉해 기액평형에 가까워지는 탑 내부 구조이다.

문제 13

내경 15cm인 원형 도관을 흐르는 유체의 레이놀즈 수(Re)가 3,000일 때, 유체의 평균유속[m/s]은? (단, 유체의 밀도는 1,000kg/m³이며, 유체의 점도는 1cP이다)

10.02

20.2

420

정답 및 해설

평균유속은 0.02 m/s이다.

레이놀즈 수 정의를 유속에 대해 정리한다.
$Re=\dfrac{\rho uD}{\mu}\;\Rightarrow\;u=\dfrac{Re\,\mu}{\rho D}$

SI 단위로 바꿔 대입한다(1 cP = 0.001 Pa·s, D = 0.15 m).
$u=\dfrac{3000\times0.001}{1000\times0.15}=0.02\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

점도를 cP 그대로 1로 넣거나 내경을 cm로 넣으면 자릿수가 틀린 값이 나온다.

문제 14

10.2

20.4

30.6

40.8

정답 및 해설

금속 조각의 비열(단위 질량당 열용량)은 0.2 J/g·℃이다.

단열 조건이므로 금속이 잃은 열 = 물이 얻은 열이다.
$m_mc_m\left(T_m-T_f\right)=m_wc_w\left(T_f-T_w\right)$

값을 대입한다(최종 온도 20℃).
$500\times c_m\times(100-20)=1000\times4\times(20-18)$
$40000\,c_m=8000\;\Rightarrow\;c_m=0.2$

금속의 온도 변화는 100℃에서 평형온도 20℃까지의 80℃이고, 물의 온도 변화는 2℃임에 주의한다.

문제 15

118

236

372

4144

정답 및 해설

관 중심 유속은 18 cm/s이다.

플러그 흐름은 단면 전체의 속도가 균일하므로 관 중심 유속이 곧 평균유속이다.
$u=\dfrac{Q}{A}=\dfrac{\dot n M/\rho}{A}$

4℃ 물의 밀도는 1 $g/cm^{3}$ 이므로 체적유량을 구해 대입한다.
$Q=\dfrac{10\times18}{1}=180\,\mathrm{cm^3\,s^{-1}}$
$u=\dfrac{180}{10}=18\,\mathrm{cm\,s^{-1}}$

층류 포물선 분포처럼 중심 유속을 평균의 2배로 잡는 것은 플러그 흐름에는 해당하지 않는다.

문제 16

분체의 체 분리(screening)에 대한 설명으로 옳은 것은?

1입자 크기와 입자 밀도를 이용하여 입자를 분리하는 방법이다.

2Tyler 표준체의 어느 한 체의 개방공(screen opening) 면적은 그 다음 작은 체의 개방공 면적의 4배이다.

3메쉬(mesh) 숫자가 클수록 작은 입자를 분리할 수 있다.

4150메쉬보다 미세한 체일수록 공업적으로 더 많이 사용된다.

정답 및 해설

옳은 설명은 메쉬 숫자가 클수록 작은 입자를 분리할 수 있다는 것이다.

메쉬는 단위 길이(1인치)당 눈의 수이므로 숫자가 클수록 눈이 촘촘해져 개방공이 작아진다.

분리 기준: 체 분리는 입자의 크기만으로 나누며 밀도는 이용하지 않는다(밀도 차는 침강·분급에서 이용).
Tyler 표준체: 이웃한 체의 개방공 한 변 길이 비가 √2이므로 면적 비는 4배가 아니라 2배이다.
미세한 체: 아주 고운 체는 눈막힘과 처리량 저하로 공업적 사용이 오히려 줄어든다.

문제 17

1무차원

2ML^-1

3MT^-3

4ML^-1T^-1

정답 및 해설

마찰계수 f는 무차원이다.

원형관 마찰 압력손실은 마찰계수에 운동에너지 항과 길이/직경 비를 곱한 꼴이다(상수 계수는 정의에 따라 다름).
$\Delta P\propto f\,\rho u^2\dfrac{L_p}{D}$

$\mathrm{ML^{-1}}$ : f에 이 차원이 붙으면 우변이 압력 차원과 맞지 않는다.
$\mathrm{MT^{-3}}$ : 마찬가지로 우변 차원이 압력과 달라진다.
$\mathrm{ML^{-1}T^{-1}}$ : 점도의 차원으로, 마찰계수의 차원이 아니다.

문제 18

＝0.8x_A이다)

114

218

324

430

정답 및 해설

이중경막론에서 총괄 기상 저항은 기상 저항과 기울기를 곱한 액상 저항의 합이므로 14 m²·s/mol이다.

평형선 기울기 $m=0.8$ 을 쓴다.
$\dfrac{1}{K_y}=\dfrac{1}{k_y}+\dfrac{m}{k_x}$
$=\dfrac{1}{0.1}+\dfrac{0.8}{0.2}=10+4=14\,\mathrm{m^2\cdot s/mol}$

액상 저항에 평형 기울기 m을 곱해 기상 기준으로 환산하는 것이 핵심이다.

18은 기상 저항 10과 액상 저항 4의 합보다 커서 직렬 저항 합과 맞지 않는다.
24는 액상 저항을 과대 반영한 값으로 계산 결과와 맞지 않는다.
30도 주어진 계수를 대입한 결과와 맞지 않는다.

문제 19

앞먹임 제어(feedforward control)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1공정에 미치는 외부 교란변수의 영향을 미리 보정하는 제어이다.

2외부 교란변수를 사전에 측정하여 제어에 이용한다.

3공정의 출력을 제어에 이용한다.

4제어루프는 감지기, 제어기, 가동장치를 포함한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 앞먹임 제어가 공정의 출력을 제어에 이용한다는 내용이다.

교란 영향의 사전 보정: 앞먹임 제어의 정의 그대로이다.
교란변수의 사전 측정: 교란을 감지기로 측정해 제어기 입력으로 쓴다.
감지기·제어기·가동장치: 앞먹임 제어 루프도 이 세 요소로 구성된다.

문제 20

1차가운 액체를 공급할 경우

2포화증기를 공급할 경우

3과열증기를 공급할 경우

4포화액체를 공급할 경우

정답 및 해설

q인자가 음수인 경우는 과열증기를 공급할 때이다.

과열증기는 포화증기가 되기 위해 현열을 내놓으면서 탑 안의 액체 일부를 증발시키므로, 탈거부로 내려가는 액체가 오히려 줄어 q < 0이 된다.

차가운(과냉) 액체: 공급액이 포화온도까지 데워지며 증기를 일부 응축시키므로 q > 1이다.
포화증기: 공급원료가 모두 증기로 위로 올라가므로 q = 0이다.
포화액체: 공급원료 전량이 액체로 내려가므로 q = 1이다.