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

17년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 지방직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

17년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

화학공장의 경제성을 평가하는 공학적인 비용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1운전비용에는 건축, 계약, 허가 등의 비용이 포함된다.

2자본투자 비용은 인도비용을 포함한 장비 구입비용에 Lang 인자를 곱하여 추산할 수 있다.

3자본비용에는 열교환기, 반응기, 컴퓨터 등을 구입하거나 제작하는 비용이 포함된다.

4Marshall & Swift 지수는 특정한 연도의 장치비용을 결정하는데 이용된다.

정답 및 해설

건축·계약·허가 비용은 운전비용이 아니라 자본투자(고정자본) 비용에 속하므로, 운전비용에 포함된다는 설명이 옳지 않다.

운전비용은 원료·인건비·유틸리티·유지보수처럼 공장을 가동하는 동안 반복해서 드는 비용이고, 건설 단계의 일회성 지출은 자본비용으로 분류한다.

인도비용을 포함한 장비 구입비에 Lang 인자를 곱해 총자본투자를 추산하는 것은 옳은 방법이다.
열교환기·반응기·컴퓨터 등 장치의 구입·제작비는 자본비용에 포함되므로 옳다.
Marshall & Swift 지수는 비용지수로, 과거 장치비용을 특정 연도의 비용으로 환산하는 데 쓰이므로 옳다.

문제 2

다단 증류를 통해 벤젠과 톨루엔 혼합물로부터 벤젠과 톨루엔을 분리하고자 한다. 공급단 상부에서의 조작선에 대한 y절편이 0.2이고 환류비가 3일 때, 탑위 제품 내 벤젠의 몰분율은?

10.4

20.6

30.7

40.8

정답 및 해설

정류부 조작선의 y절편 공식으로 구하면 탑위 제품 내 벤젠의 몰분율은 0.8이다.

정류부 조작선: $y=\dfrac{R}{R+1}x+\dfrac{x_D}{R+1}$
y절편: $\dfrac{x_D}{R+1}=0.2$

대입: $x_D=0.2\times(3+1)=0.8$

따라서 탑위 제품의 벤젠 몰분율은 0.8이다.

문제 3

노즐에서 7mㆍs^-1의 속도로 물이 수직으로 분사될 때, 물이 노즐로부터 올라갈 수 있는 최대 높이[m]는? (단, 중력가속도＝9.8 mㆍs^-2이고, 물과 공기의 마찰은 무시한다)

22.5

47.5

정답 및 해설

운동에너지가 모두 위치에너지로 바뀌는 높이를 구하면 최대 높이는 2.5 m이다.

에너지 보존: $\dfrac{1}{2}v^2=gh \;\Rightarrow\; h=\dfrac{v^2}{2g}$

대입: $h=\dfrac{7^2}{2\times9.8}=\dfrac{49}{19.6}=2.5\,\mathrm{m}$

마찰을 무시하므로 노즐 출구 속도가 0이 되는 지점이 최고점이다.

문제 4

반응속도 상수가 온도 T₁에서 k₁, T₂에서 k₂이다. k₁과 k₂의 관계로 옳은 것은? (단, E는 활성화 에너지, R은 기체상수이며, 아레니우스 상수와 E는 온도와 무관한 것으로 가정한다)

정답 및 해설

두 온도에서의 속도상수 관계는 $\ln\dfrac{k_2}{k_1}=\dfrac{E}{R}\left(\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}\right)$ 이다.

아레니우스 식 $k=Ae^{-E/RT}$ 에 로그를 취하면 $\ln k=\ln A-\dfrac{E}{RT}$ 이다.
두 온도의 식을 빼면 $\ln k_2-\ln k_1=\dfrac{E}{RT_1}-\dfrac{E}{RT_2}$ 가 되어, 온도가 오르면 속도상수가 커지는 관계가 된다.

계수가 $\dfrac{E}{R}$ 이고 괄호가 $\dfrac{1}{T_2}-\dfrac{1}{T_1}$ 인 식은 부호가 반대여서 온도가 오를수록 속도상수가 작아진다.
계수가 $\dfrac{E}{2R}$ 이고 괄호가 $\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}$ 인 식은 유도 과정에 없는 1/2 인자가 붙었다.
계수가 $\dfrac{E}{2R}$ 이고 괄호가 $\dfrac{1}{T_2}-\dfrac{1}{T_1}$ 인 식은 인자와 부호가 모두 틀렸다.

문제 5

분자량이 41gㆍmol^-1인 기체 10kg이 300K의 온도에서 부피 1m³의 탱크에 들어있다고 할 때, 기체 탱크에 설치된 압력계가 나타내는 압력[atm]은? (단, 탱크가 설치된 곳의 대기압은 1atm이며, 기체는 이상기체로 가정한다)

정답 및 해설

이상기체식으로 절대압력을 구한 뒤 대기압을 빼면 압력계 압력(계기압)은 5 atm이다.

몰수: $n=\dfrac{10000\,\mathrm{g}}{41\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}\approx243.9\,\mathrm{mol}$

절대압력: $P=\dfrac{nRT}{V}=\dfrac{243.9\times0.082\times300}{1000}\approx6\,\mathrm{atm}$ ( $V=1\,\mathrm{m^3}=1000\,\mathrm{L}$ )

압력계는 대기압 기준의 압력을 나타내므로 계기압 = 절대압 − 대기압 = 6 − 1 = 5 atm이다.

문제 6

다음과 같은 성질을 가진 오일 A와 오일 B를 각각 10kgㆍmin^-1, 20kgㆍmin^-1의 유량으로 혼합하여 펌프오일을 생산한다. 제조공정에 열의 유출입이 없고, 정상상태가 유지될 때 생산 제품인 펌프오일 흐름의 온도[℃]는? (단, 생산 제품인 펌프오일의 열용량은 2.9kJㆍkg^-1ㆍK^-1이며, 모든 흐름에서의 기준온도는 25℃로 한다.)

	열용량(kJㆍkg^-1ㆍK^-1)	온도(℃)
오일 A	2	100
오일 B	4	115

1120

2125

3115

4130

정답 및 해설

혼합 후 펌프오일 흐름의 온도는 125℃이다.

열 출입이 없는 정상상태이므로 기준온도 25℃에 대한 엔탈피 수지를 세운다.
$\dot m_A c_A(T_A-25)+\dot m_B c_B(T_B-25)=\dot m c(T-25)$

대입: $10(2)(75)+20(4)(90)=30(2.9)(T-25)$
$1500+7200=87(T-25)\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$
$T-25=100,\ T=125\ \mathrm{^{\circ}C}$

120℃이면 제품 엔탈피가 $87\times95=8265\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$ 로 유입 엔탈피 8700에 못 미친다.
115℃이면 $87\times90=7830\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$ 로 역시 수지가 맞지 않는다. 제품 열용량이 원료 평균보다 작아 입구 온도보다 높아지는 점에 유의한다.
130℃이면 $87\times105=9135\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$ 로 유입 엔탈피를 넘는다.

문제 7

다음 그림과 같이 지름이 10in.인 실린더 관 내에서 비압축성 액체가 흐르고 있다. 지름 2in.인 작은 jet관이 고속의 액체를 배출하기 위해 관 중앙에 설치되어 있다. A지점에서의 두 평균 속도(V_A와 V_J)를 사용하여 멀리 떨어진 B지점에서의 액체 평균 속도(V_B)를 나타낸 식은?

1V_B＝0.2V_J＋0.8V_A

2V_B＝0.02V_J＋0.98V_A

3V_B＝0.04V_J＋0.64V_A

4V_B＝0.04V_J＋0.96V_A

정답 및 해설

B지점의 평균 속도는 $V_B=0.04V_J+0.96V_A$ 이다.

비압축성 유체이므로 연속식(체적유량 보존)을 적용한다. 단면적은 지름의 제곱에 비례하므로 전체 $10^2=100$ , jet관 $2^2=4$ , 환형부 $100-4=96$ 의 비가 된다.

$100V_B=4V_J+96V_A$
$V_B=0.04V_J+0.96V_A$

계수 0.2와 0.8 조합은 면적비가 아니라 지름비(2/10)를 그대로 쓴 식이다.
계수 0.02와 0.98 조합은 jet관 면적 분율 0.04를 절반으로 잡아 연속식을 만족하지 않는다.
계수 0.04와 0.64 조합은 환형부 분율을 $0.8^2$ 으로 잘못 잡아 계수 합이 1이 되지 않으므로, 두 속도가 같을 때도 유량이 보존되지 않는다.

문제 8

체를 이용한 입도분포 분석에 대한 설명이다. 옳지 않은 것은?

1측정한 입자경(d_p)의 분포는 개수 또는 질량을 기준으로 해서 나타낸다.

2빈도분포란 입자경이 d_p와 d_p＋Δd_p 사이의 입자 개수를 전체 입자 개수로 나눈 개수비율의 분포함수이다.

3적산 잔류율분포는 입자경이 d_p 이하의 입자 개수에 대한 분포이다.

4적산 통과율분포는 1에서 적산 잔류율분포를 뺀 값이다.

정답 및 해설

적산 잔류율분포는 체 위에 남는, 즉 입자경이 $d_p$ 이상인 입자의 누적 분포이므로 '이하'라고 한 설명이 옳지 않다.

입자경 $d_p$ 이하의 누적 분포는 체를 통과한 입자에 해당하는 적산 통과율분포이다.

입자경 분포는 개수 기준 또는 질량 기준으로 나타낼 수 있으므로 옳다.
빈도분포는 $d_p$ 와 $d_p+\Delta d_p$ 사이의 입자 비율을 나타내는 분포함수이므로 옳다.
통과율과 잔류율의 합이 1이므로 적산 통과율분포 = 1 − 적산 잔류율분포라는 설명은 옳다.

문제 9

건물 벽을 통한 열 손실을 방지하기 위하여 10cm 두께의 건물 외벽에 10cm 두께의 단열벽돌을 붙였다면 벽면 1m²당 열 손실[W]은? (단, 실내 온도는 25℃, 외부 온도는 －5℃이며, 건물 외벽과 단열벽돌의 열전도도(k)는 각각 1.0Wㆍm^-1ㆍK^-1, 0.5Wㆍm^-1ㆍK^-1이다)

1100

250

325

410

정답 및 해설

두 벽을 직렬 열저항으로 합산해 구하면 1 m² 당 열 손실은 100 W이다.

직렬 평면벽: $q=\dfrac{\Delta T}{\dfrac{L_1}{k_1}+\dfrac{L_2}{k_2}}$ (단위 면적당)

저항 합: $\dfrac{0.1}{1.0}+\dfrac{0.1}{0.5}=0.1+0.2=0.3\,\mathrm{m^2K\,W^{-1}}$

온도차 $\Delta T=25-(-5)=30\,\mathrm{K}$ 이므로 $q=\dfrac{30}{0.3}=100\,\mathrm{W}$ 로, 저항이 직렬로 더해진다는 점이 핵심이다.

문제 10

비압축성 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 정상상태를 유지하며 원통형 관을 통하여 층류(laminar flow)를 형성하고 있다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1최대속도는 관의 중심에서 나타난다.

2평균유체속도는 최대속도의 50%이다.

3질량유량(mass rate of flow)은 관의 단면적, 평균유속, 밀도의 곱으로 표현할 수 있으며, 이렇게 표현되는 식을 Hagen-Poiseuille 식이라고 부른다.

4관의 반지름에 따른 유속 분포는 관 중심에 끝점이 있는 직선이 된다.

정답 및 해설

원관 내 층류의 속도 분포는 직선이 아니라 포물선(2차 함수)이므로, 관 중심에 끝점이 있는 직선이라는 설명이 옳지 않다.

속도 분포는 $v=v_{max}\left[1-\left(\dfrac{r}{R}\right)^2\right]$ 로, 벽에서 0이고 중심에서 최대인 포물면을 이룬다. 직선인 것은 전단응력 분포이다.

포물선 분포에서 최대속도는 관 중심에서 나타나므로 옳다.
포물선 분포를 단면 평균하면 평균속도는 최대속도의 절반(50%)이므로 옳다.
질량유량을 단면적·평균유속·밀도의 곱으로 나타내고 평균유속에 층류 속도 분포를 적용한 유량 관계식이 Hagen-Poiseuille 식이므로 옳은 설명으로 본다.

문제 11

회분식 반응기에서 A로부터 B가 형성되는 반응의 속도식이

r_A=-\dfrac{dC_A}{dt}=kC_A^2

이다. A의 초기 농도를 2molㆍL^-1로 하여 반응을 개시하였을 때 100초 후 A의 농도()[molㆍL^-1]는? (단, k=0.01Lㆍmol^-1ㆍs^-1이며, 얻어진 C_A의 값은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다)

10.85

20.67

30.34

40.17

정답 및 해설

100초 후 A의 농도는 약 0.67 mol/L이다.

속도식이 2차 반응이므로 적분하면 $\dfrac{1}{C_A}-\dfrac{1}{C_{A0}}=kt$ 이다.

대입: $\dfrac{1}{C_A}=\dfrac{1}{2}+0.01\times100=1.5\ \mathrm{L\,mol^{-1}}$
$C_A=\dfrac{1}{1.5}\approx0.67\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

0.85 mol/L는 $kt\approx0.68$ , 즉 약 68초 뒤에 해당하는 농도다.
0.34 mol/L는 $kt\approx2.4$ 로 약 240초 뒤의 농도다.
0.17 mol/L는 $kt\approx5.4$ 로 100초보다 훨씬 긴 시간에 해당한다.

문제 12

열의 이동기구 중 하나인 전도는 분자의 진동에너지가 인접한 분자에 전해지는 것이다. 벽면을 통해 열이 전도된다고 가정할 때, 열전달속도를 빠르게 하는 방법이 아닌 것은?

1벽면의 면적을 증가시킨다.

2벽면 양끝의 온도 차이를 작게 한다.

3열전도도가 큰 벽면을 사용한다.

4벽면의 두께를 감소시킨다.

정답 및 해설

양끝 온도차를 작게 하면 전도 열전달속도가 감소하므로, 열전달을 빠르게 하는 방법이 아니다.

푸리에 법칙 $q=\dfrac{kA\,\Delta T}{L}$ 에서 열전달속도는 열전도도·면적·온도차에 비례하고 두께에 반비례한다.

벽면의 면적을 증가시키면 열전달속도가 커지므로 해당 방법이다.
열전도도가 큰 벽면을 사용하면 열전달속도가 커지므로 해당 방법이다.
벽면의 두께를 감소시키면 열저항이 줄어 열전달속도가 커지므로 해당 방법이다.

문제 13

12,000kgㆍh^-1의 일정한 유량으로 물이 빠져나가고 있는 탱크에 유량이 10,000kgㆍh^-1인 펌프 A와 유량을 모르는 펌프 B로 3시간 동안 물을 공급하였더니 탱크 내 물의 양이 6,000kg 증가하였다. 펌프 B가 공급한 물의 유량[kgㆍh^-1]은?

12,000

23,000

34,000

45,000

정답 및 해설

비정상상태 물질수지(축적 = 유입 − 유출)로 구하면 펌프 B의 유량은 4,000 kg/h이다.

축적 속도: $\dfrac{6000\,\mathrm{kg}}{3\,\mathrm{h}}=2000\,\mathrm{kg\,h^{-1}}$

수지식: $2000=(10000+F_B)-12000$
결과: $F_B=4000\,\mathrm{kg\,h^{-1}}$

탱크 수위가 증가했으므로 유입이 유출보다 2,000 kg/h 많다는 점을 이용한 것이다.

문제 14

20℃에서 밀도가 5gㆍcm^-3, 표면장력이 4Nㆍm^-1인 액체에 지름이 4mm인 유리관을 그림과 같이 수직으로 세웠을 때 접촉각이 60°였다. 액위의 변화[cm]는? (단, 중력가속도＝10mㆍs^-2으로 계산한다)

310

정답 및 해설

유리관 내 액위는 4 cm 상승한다.

모세관 상승 높이는 Jurin 식 $h=\dfrac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$ 로 구한다(반지름 $r=0.002\ \mathrm{m}$ , 밀도 $5000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}$ ).

대입: $h=\dfrac{2(4)(0.5)}{(5000)(10)(0.002)}=\dfrac{4}{100}=0.04\ \mathrm{m}$
따라서 4 cm이다.

2 cm는 반지름 자리에 지름 4 mm를 넣은 값이다.
3 cm이면 $\rho g r h=3\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ 로 $2\sigma\cos\theta=4\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ 와 힘 균형이 맞지 않는다.
10 cm이면 $\rho g r h=10\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ 로 표면장력 성분을 크게 넘는다.

문제 15

점도가 인 유체에서 밀도 ρ_p, 직경 d인 구형의 입자가 침강할 때 최종 침강속도는? (단, 부력은 무시할 만한 수준이고 레이놀즈 수는 1보다 작으며 중력가속도는 g이다)

정답 및 해설

부력을 무시한 Stokes 영역의 최종 침강속도는 $v_t=\dfrac{\rho_p d^2 g}{18\mu}$ 이다.

레이놀즈 수가 1보다 작으면 항력은 Stokes 법칙 $F_D=3\pi\mu d v$ 를 따른다. 최종 속도에서는 중력과 항력이 같다.
$\dfrac{\pi d^3}{6}\rho_p g=3\pi\mu d v_t$
$v_t=\dfrac{\rho_p d^2 g}{18\mu}$

분모가 $3\mu$ 인 식은 정답의 6배로, 구형 입자 부피 $\dfrac{\pi d^3}{6}$ 의 1/6 인자를 빠뜨린 형태다.
분모가 $6\mu$ 인 식은 항력 계수 $3\pi$ 를 $\pi$ 로 잘못 쓴 형태다.
분모가 $9\mu$ 인 식은 정답의 2배다. 반지름 기준 식 $\dfrac{2\rho_p r^2 g}{9\mu}$ 에 $r=\dfrac{d}{2}$ 를 넣으면 분모는 $18\mu$ 가 된다.

문제 16

그림과 같이 경사면을 따라 비압축성 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 일정한 두께 h의 층류(laminar flow)를 형성하고 있다. 이 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 경사면과 액체가 만나는 지점인 x＝h에서 유체속도는 0이다)

1기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 유체속도가 최대이다.

2경사면과 액체가 만나는 지점(x＝h)에서 전단응력이 최대이다.

3기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 속도 구배(전단율)가 최대이다.

4z방향 유체의 속도 분포는 x축 거리좌표에 대해 2차 함수 형태이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 기체와 만나는 경계(x=0)에서 속도 구배가 최대라는 것이다.

경사면 유하 액막의 운동량 수지를 풀면 기체 쪽은 전단이 없는 자유표면이므로 전단응력이 0이고, 깊이에 비례해 $\tau_{xz}\propto x$ 로 커진다. 따라서 x=0에서 속도 구배는 0(최소)이다.

속도 분포는 $v_z\propto1-\left(\dfrac{x}{h}\right)^2$ 의 포물선이다.

기체 경계에서 유체속도가 최대라는 설명은 옳다 — 속도 구배가 0인 곳이 극대점이다.
경사면 쪽(x=h)에서 전단응력이 최대라는 설명은 옳다 — 전단응력이 x에 비례한다.
속도 분포가 x에 대한 2차 함수라는 설명은 옳다.

문제 17

열교환기에서 유체의 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유체가 흘러가는 방향은 열교환기의 성능에 영향을 준다.

2병류(cocurrent flow) 열교환기는 열교환기 입구에서 두 유체의 온도차이가 가장 작다.

3향류(countercurrent flow) 열교환기에서는 저온 유체의 출구 온도가 고온 유체의 출구 온도보다 더 높을 수도 있다.

4향류 열교환기는 두 유체 사이의 온도 차이가 병류 교환기처럼 급격히 변하지 않는다.

정답 및 해설

병류 열교환기는 두 유체가 같은 쪽에서 들어오므로 입구에서 온도차가 가장 크다. 따라서 입구 온도차가 가장 작다는 설명이 옳지 않다.

병류에서는 흐르는 동안 두 유체 온도가 서로 가까워지므로 온도차가 출구로 갈수록 급격히 줄어든다.

병류·향류 등 흐름 방향에 따라 평균 온도차가 달라지므로 흐름 방향이 열교환기 성능에 영향을 준다는 설명은 옳다.
향류에서는 저온 유체 출구가 고온 유체 입구 쪽에 있어, 저온 유체 출구 온도가 고온 유체 출구 온도보다 높아질 수 있으므로 옳다.
향류는 전 길이에 걸쳐 온도차가 비교적 고르게 유지되어 병류처럼 급격히 변하지 않으므로 옳다.

문제 18

다음 막분리(membrane separation) 공정 중 추진력(driving force)이 압력차가 아닌 공정으로만 묶은 것은?

ㄱ. 나노여과(nanofiltration)
ㄴ. 정밀여과(microfiltration)
ㄷ. 투석(dialysis)
ㄹ. 역삼투(reverse osmosis)
ㅁ. 정삼투(forward osmosis)

1ㄱ, ㄴ

2ㄷ, ㄹ

3ㄷ, ㅁ

4ㄹ, ㅁ

정답 및 해설

압력차가 아닌 추진력을 쓰는 공정은 투석과 정삼투이다.

투석은 막 양쪽의 농도차에 의한 확산으로, 정삼투는 유도용액과의 삼투압차로 물이 이동하며 외부 가압이 필요 없다.

나노여과는 가압으로 2가 이온·저분자 유기물을 거르는 압력 구동 공정이다.
정밀여과는 비교적 낮은 압력차로 미립자·세균을 거르는 압력 구동 공정이다.
역삼투는 삼투압보다 큰 압력을 가해 용매를 역방향으로 밀어내는 압력 구동 공정이다.

문제 19

유체에 대한 설명으로 옳은 것은?

1전단응력이 속도구배에 비례하는 유체를 뉴턴 유체(Newtonian fluid)라고 하며, 비례상수의 단위를 gㆍcm^-1ㆍs^-1로 표기하기도 한다.

2일정한 전단 응력 이하에서만 유체의 흐름이 일어나며, 전단응력은 속도구배에 비례하는 유체를 빙햄 유체(Bingham fluid)라고 한다.

3속도구배가 증가함에 따라 점도가 증가하는 유체를 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)라고 한다.

4점탄성 유체(viscoelastic fluid)는 응력이 존재하면 변형하면서 흐르다가 응력이 사라지면 완전히 원래의 형태로 돌아간다.

정답 및 해설

전단응력이 속도구배에 비례하는 유체가 뉴턴 유체이며, 그 비례상수인 점도의 단위로 $\mathrm{g\,cm^{-1}s^{-1}}$ (poise)를 쓴다는 설명이 옳다.

뉴턴 유체는 $\tau=\mu\dfrac{du}{dy}$ 를 따르고, 점도 $\mu$ 는 속도구배와 무관한 상수이다.

빙햄 유체는 일정한 전단응력(항복응력) 이상에서만 흐르기 시작하므로 '이하에서만 흐른다'는 설명은 틀리다.
속도구배가 증가할수록 점도가 증가하는 것은 팽창성(dilatant) 유체이며, 유사가소성 유체는 점도가 감소한다.
점탄성 유체는 응력이 사라져도 탄성 변형분만 일부 회복하고 완전히 원래 형태로 돌아가지는 않으므로 틀리다.

문제 20

흡수조작에서 편류(channeling) 현상을 방지하기 위한 수단에 해당하지 않는 것은?

1불규칙하게 충전하기 위하여 주로 충전물을 쏟아 넣는 방식으로 충전한다.

2탑 지름과 충전물 지름의 비를 최소 8:1로 한다.

3충전부의 적당한 위치에 액체용 재분배장치를 설치한다.

4충전탑의 높이를 증가시킨다.

정답 및 해설

충전탑의 높이를 증가시키는 것은 편류를 막는 수단이 아니며, 오히려 높이가 높을수록 액이 벽 쪽으로 쏠리는 편류가 심해진다.

편류는 액체가 충전층을 고르게 적시지 못하고 벽면 등 저항이 작은 경로로 몰려 흐르는 현상으로, 충전 상태와 액 분배를 개선해 방지한다.

충전물을 쏟아 넣는 불규칙 충전은 유로가 한쪽으로 정렬되는 것을 막아 편류 방지에 해당한다.
탑 지름과 충전물 지름의 비를 크게(최소 8:1) 하면 벽 효과가 줄어 편류 방지에 해당한다.
충전부 중간에 액체 재분배장치를 두면 벽으로 쏠린 액을 다시 고르게 분배하므로 편류 방지에 해당한다.

9급 지방직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

17년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

화학공장의 경제성을 평가하는 공학적인 비용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1운전비용에는 건축, 계약, 허가 등의 비용이 포함된다.

2자본투자 비용은 인도비용을 포함한 장비 구입비용에 Lang 인자를 곱하여 추산할 수 있다.

3자본비용에는 열교환기, 반응기, 컴퓨터 등을 구입하거나 제작하는 비용이 포함된다.

4Marshall & Swift 지수는 특정한 연도의 장치비용을 결정하는데 이용된다.

정답 및 해설

건축·계약·허가 비용은 운전비용이 아니라 자본투자(고정자본) 비용에 속하므로, 운전비용에 포함된다는 설명이 옳지 않다.

운전비용은 원료·인건비·유틸리티·유지보수처럼 공장을 가동하는 동안 반복해서 드는 비용이고, 건설 단계의 일회성 지출은 자본비용으로 분류한다.

인도비용을 포함한 장비 구입비에 Lang 인자를 곱해 총자본투자를 추산하는 것은 옳은 방법이다.
열교환기·반응기·컴퓨터 등 장치의 구입·제작비는 자본비용에 포함되므로 옳다.
Marshall & Swift 지수는 비용지수로, 과거 장치비용을 특정 연도의 비용으로 환산하는 데 쓰이므로 옳다.

문제 2

10.4

20.6

30.7

40.8

정답 및 해설

정류부 조작선의 y절편 공식으로 구하면 탑위 제품 내 벤젠의 몰분율은 0.8이다.

정류부 조작선: $y=\dfrac{R}{R+1}x+\dfrac{x_D}{R+1}$
y절편: $\dfrac{x_D}{R+1}=0.2$

대입: $x_D=0.2\times(3+1)=0.8$

따라서 탑위 제품의 벤젠 몰분율은 0.8이다.

문제 3

22.5

47.5

정답 및 해설

운동에너지가 모두 위치에너지로 바뀌는 높이를 구하면 최대 높이는 2.5 m이다.

에너지 보존: $\dfrac{1}{2}v^2=gh \;\Rightarrow\; h=\dfrac{v^2}{2g}$

대입: $h=\dfrac{7^2}{2\times9.8}=\dfrac{49}{19.6}=2.5\,\mathrm{m}$

마찰을 무시하므로 노즐 출구 속도가 0이 되는 지점이 최고점이다.

문제 4

정답 및 해설

두 온도에서의 속도상수 관계는 $\ln\dfrac{k_2}{k_1}=\dfrac{E}{R}\left(\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}\right)$ 이다.

계수가 $\dfrac{E}{R}$ 이고 괄호가 $\dfrac{1}{T_2}-\dfrac{1}{T_1}$ 인 식은 부호가 반대여서 온도가 오를수록 속도상수가 작아진다.
계수가 $\dfrac{E}{2R}$ 이고 괄호가 $\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}$ 인 식은 유도 과정에 없는 1/2 인자가 붙었다.
계수가 $\dfrac{E}{2R}$ 이고 괄호가 $\dfrac{1}{T_2}-\dfrac{1}{T_1}$ 인 식은 인자와 부호가 모두 틀렸다.

문제 5

정답 및 해설

이상기체식으로 절대압력을 구한 뒤 대기압을 빼면 압력계 압력(계기압)은 5 atm이다.

몰수: $n=\dfrac{10000\,\mathrm{g}}{41\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}\approx243.9\,\mathrm{mol}$

절대압력: $P=\dfrac{nRT}{V}=\dfrac{243.9\times0.082\times300}{1000}\approx6\,\mathrm{atm}$ ( $V=1\,\mathrm{m^3}=1000\,\mathrm{L}$ )

압력계는 대기압 기준의 압력을 나타내므로 계기압 = 절대압 − 대기압 = 6 − 1 = 5 atm이다.

문제 6

	열용량(kJㆍkg^-1ㆍK^-1)	온도(℃)
오일 A	2	100
오일 B	4	115

1120

2125

3115

4130

정답 및 해설

혼합 후 펌프오일 흐름의 온도는 125℃이다.

열 출입이 없는 정상상태이므로 기준온도 25℃에 대한 엔탈피 수지를 세운다.
$\dot m_A c_A(T_A-25)+\dot m_B c_B(T_B-25)=\dot m c(T-25)$

대입: $10(2)(75)+20(4)(90)=30(2.9)(T-25)$
$1500+7200=87(T-25)\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$
$T-25=100,\ T=125\ \mathrm{^{\circ}C}$

120℃이면 제품 엔탈피가 $87\times95=8265\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$ 로 유입 엔탈피 8700에 못 미친다.
115℃이면 $87\times90=7830\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$ 로 역시 수지가 맞지 않는다. 제품 열용량이 원료 평균보다 작아 입구 온도보다 높아지는 점에 유의한다.
130℃이면 $87\times105=9135\ \mathrm{kJ\,min^{-1}}$ 로 유입 엔탈피를 넘는다.

문제 7

1V_B＝0.2V_J＋0.8V_A

2V_B＝0.02V_J＋0.98V_A

3V_B＝0.04V_J＋0.64V_A

4V_B＝0.04V_J＋0.96V_A

정답 및 해설

B지점의 평균 속도는 $V_B=0.04V_J+0.96V_A$ 이다.

$100V_B=4V_J+96V_A$
$V_B=0.04V_J+0.96V_A$

계수 0.2와 0.8 조합은 면적비가 아니라 지름비(2/10)를 그대로 쓴 식이다.
계수 0.02와 0.98 조합은 jet관 면적 분율 0.04를 절반으로 잡아 연속식을 만족하지 않는다.
계수 0.04와 0.64 조합은 환형부 분율을 $0.8^2$ 으로 잘못 잡아 계수 합이 1이 되지 않으므로, 두 속도가 같을 때도 유량이 보존되지 않는다.

문제 8

체를 이용한 입도분포 분석에 대한 설명이다. 옳지 않은 것은?

1측정한 입자경(d_p)의 분포는 개수 또는 질량을 기준으로 해서 나타낸다.

2빈도분포란 입자경이 d_p와 d_p＋Δd_p 사이의 입자 개수를 전체 입자 개수로 나눈 개수비율의 분포함수이다.

3적산 잔류율분포는 입자경이 d_p 이하의 입자 개수에 대한 분포이다.

4적산 통과율분포는 1에서 적산 잔류율분포를 뺀 값이다.

정답 및 해설

적산 잔류율분포는 체 위에 남는, 즉 입자경이 $d_p$ 이상인 입자의 누적 분포이므로 '이하'라고 한 설명이 옳지 않다.

입자경 $d_p$ 이하의 누적 분포는 체를 통과한 입자에 해당하는 적산 통과율분포이다.

입자경 분포는 개수 기준 또는 질량 기준으로 나타낼 수 있으므로 옳다.
빈도분포는 $d_p$ 와 $d_p+\Delta d_p$ 사이의 입자 비율을 나타내는 분포함수이므로 옳다.
통과율과 잔류율의 합이 1이므로 적산 통과율분포 = 1 − 적산 잔류율분포라는 설명은 옳다.

문제 9

1100

250

325

410

정답 및 해설

두 벽을 직렬 열저항으로 합산해 구하면 1 m² 당 열 손실은 100 W이다.

직렬 평면벽: $q=\dfrac{\Delta T}{\dfrac{L_1}{k_1}+\dfrac{L_2}{k_2}}$ (단위 면적당)

저항 합: $\dfrac{0.1}{1.0}+\dfrac{0.1}{0.5}=0.1+0.2=0.3\,\mathrm{m^2K\,W^{-1}}$

온도차 $\Delta T=25-(-5)=30\,\mathrm{K}$ 이므로 $q=\dfrac{30}{0.3}=100\,\mathrm{W}$ 로, 저항이 직렬로 더해진다는 점이 핵심이다.

문제 10

비압축성 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 정상상태를 유지하며 원통형 관을 통하여 층류(laminar flow)를 형성하고 있다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1최대속도는 관의 중심에서 나타난다.

2평균유체속도는 최대속도의 50%이다.

3질량유량(mass rate of flow)은 관의 단면적, 평균유속, 밀도의 곱으로 표현할 수 있으며, 이렇게 표현되는 식을 Hagen-Poiseuille 식이라고 부른다.

4관의 반지름에 따른 유속 분포는 관 중심에 끝점이 있는 직선이 된다.

정답 및 해설

원관 내 층류의 속도 분포는 직선이 아니라 포물선(2차 함수)이므로, 관 중심에 끝점이 있는 직선이라는 설명이 옳지 않다.

속도 분포는 $v=v_{max}\left[1-\left(\dfrac{r}{R}\right)^2\right]$ 로, 벽에서 0이고 중심에서 최대인 포물면을 이룬다. 직선인 것은 전단응력 분포이다.

포물선 분포에서 최대속도는 관 중심에서 나타나므로 옳다.
포물선 분포를 단면 평균하면 평균속도는 최대속도의 절반(50%)이므로 옳다.
질량유량을 단면적·평균유속·밀도의 곱으로 나타내고 평균유속에 층류 속도 분포를 적용한 유량 관계식이 Hagen-Poiseuille 식이므로 옳은 설명으로 본다.

문제 11

회분식 반응기에서 A로부터 B가 형성되는 반응의 속도식이

r_A=-\dfrac{dC_A}{dt}=kC_A^2

10.85

20.67

30.34

40.17

정답 및 해설

100초 후 A의 농도는 약 0.67 mol/L이다.

속도식이 2차 반응이므로 적분하면 $\dfrac{1}{C_A}-\dfrac{1}{C_{A0}}=kt$ 이다.

대입: $\dfrac{1}{C_A}=\dfrac{1}{2}+0.01\times100=1.5\ \mathrm{L\,mol^{-1}}$
$C_A=\dfrac{1}{1.5}\approx0.67\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

0.85 mol/L는 $kt\approx0.68$ , 즉 약 68초 뒤에 해당하는 농도다.
0.34 mol/L는 $kt\approx2.4$ 로 약 240초 뒤의 농도다.
0.17 mol/L는 $kt\approx5.4$ 로 100초보다 훨씬 긴 시간에 해당한다.

문제 12

1벽면의 면적을 증가시킨다.

2벽면 양끝의 온도 차이를 작게 한다.

3열전도도가 큰 벽면을 사용한다.

4벽면의 두께를 감소시킨다.

정답 및 해설

양끝 온도차를 작게 하면 전도 열전달속도가 감소하므로, 열전달을 빠르게 하는 방법이 아니다.

푸리에 법칙 $q=\dfrac{kA\,\Delta T}{L}$ 에서 열전달속도는 열전도도·면적·온도차에 비례하고 두께에 반비례한다.

벽면의 면적을 증가시키면 열전달속도가 커지므로 해당 방법이다.
열전도도가 큰 벽면을 사용하면 열전달속도가 커지므로 해당 방법이다.
벽면의 두께를 감소시키면 열저항이 줄어 열전달속도가 커지므로 해당 방법이다.

문제 13

12,000

23,000

34,000

45,000

정답 및 해설

비정상상태 물질수지(축적 = 유입 − 유출)로 구하면 펌프 B의 유량은 4,000 kg/h이다.

축적 속도: $\dfrac{6000\,\mathrm{kg}}{3\,\mathrm{h}}=2000\,\mathrm{kg\,h^{-1}}$

수지식: $2000=(10000+F_B)-12000$
결과: $F_B=4000\,\mathrm{kg\,h^{-1}}$

탱크 수위가 증가했으므로 유입이 유출보다 2,000 kg/h 많다는 점을 이용한 것이다.

문제 14

310

정답 및 해설

유리관 내 액위는 4 cm 상승한다.

모세관 상승 높이는 Jurin 식 $h=\dfrac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$ 로 구한다(반지름 $r=0.002\ \mathrm{m}$ , 밀도 $5000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}$ ).

대입: $h=\dfrac{2(4)(0.5)}{(5000)(10)(0.002)}=\dfrac{4}{100}=0.04\ \mathrm{m}$
따라서 4 cm이다.

2 cm는 반지름 자리에 지름 4 mm를 넣은 값이다.
3 cm이면 $\rho g r h=3\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ 로 $2\sigma\cos\theta=4\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ 와 힘 균형이 맞지 않는다.
10 cm이면 $\rho g r h=10\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ 로 표면장력 성분을 크게 넘는다.

문제 15

정답 및 해설

부력을 무시한 Stokes 영역의 최종 침강속도는 $v_t=\dfrac{\rho_p d^2 g}{18\mu}$ 이다.

분모가 $3\mu$ 인 식은 정답의 6배로, 구형 입자 부피 $\dfrac{\pi d^3}{6}$ 의 1/6 인자를 빠뜨린 형태다.
분모가 $6\mu$ 인 식은 항력 계수 $3\pi$ 를 $\pi$ 로 잘못 쓴 형태다.
분모가 $9\mu$ 인 식은 정답의 2배다. 반지름 기준 식 $\dfrac{2\rho_p r^2 g}{9\mu}$ 에 $r=\dfrac{d}{2}$ 를 넣으면 분모는 $18\mu$ 가 된다.

문제 16

1기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 유체속도가 최대이다.

2경사면과 액체가 만나는 지점(x＝h)에서 전단응력이 최대이다.

3기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 속도 구배(전단율)가 최대이다.

4z방향 유체의 속도 분포는 x축 거리좌표에 대해 2차 함수 형태이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 기체와 만나는 경계(x=0)에서 속도 구배가 최대라는 것이다.

속도 분포는 $v_z\propto1-\left(\dfrac{x}{h}\right)^2$ 의 포물선이다.

기체 경계에서 유체속도가 최대라는 설명은 옳다 — 속도 구배가 0인 곳이 극대점이다.
경사면 쪽(x=h)에서 전단응력이 최대라는 설명은 옳다 — 전단응력이 x에 비례한다.
속도 분포가 x에 대한 2차 함수라는 설명은 옳다.

문제 17

열교환기에서 유체의 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유체가 흘러가는 방향은 열교환기의 성능에 영향을 준다.

2병류(cocurrent flow) 열교환기는 열교환기 입구에서 두 유체의 온도차이가 가장 작다.

3향류(countercurrent flow) 열교환기에서는 저온 유체의 출구 온도가 고온 유체의 출구 온도보다 더 높을 수도 있다.

4향류 열교환기는 두 유체 사이의 온도 차이가 병류 교환기처럼 급격히 변하지 않는다.

정답 및 해설

병류 열교환기는 두 유체가 같은 쪽에서 들어오므로 입구에서 온도차가 가장 크다. 따라서 입구 온도차가 가장 작다는 설명이 옳지 않다.

병류에서는 흐르는 동안 두 유체 온도가 서로 가까워지므로 온도차가 출구로 갈수록 급격히 줄어든다.

병류·향류 등 흐름 방향에 따라 평균 온도차가 달라지므로 흐름 방향이 열교환기 성능에 영향을 준다는 설명은 옳다.
향류에서는 저온 유체 출구가 고온 유체 입구 쪽에 있어, 저온 유체 출구 온도가 고온 유체 출구 온도보다 높아질 수 있으므로 옳다.
향류는 전 길이에 걸쳐 온도차가 비교적 고르게 유지되어 병류처럼 급격히 변하지 않으므로 옳다.

문제 18

다음 막분리(membrane separation) 공정 중 추진력(driving force)이 압력차가 아닌 공정으로만 묶은 것은?

ㄱ. 나노여과(nanofiltration)
ㄴ. 정밀여과(microfiltration)
ㄷ. 투석(dialysis)
ㄹ. 역삼투(reverse osmosis)
ㅁ. 정삼투(forward osmosis)

1ㄱ, ㄴ

2ㄷ, ㄹ

3ㄷ, ㅁ

4ㄹ, ㅁ

정답 및 해설

압력차가 아닌 추진력을 쓰는 공정은 투석과 정삼투이다.

투석은 막 양쪽의 농도차에 의한 확산으로, 정삼투는 유도용액과의 삼투압차로 물이 이동하며 외부 가압이 필요 없다.

나노여과는 가압으로 2가 이온·저분자 유기물을 거르는 압력 구동 공정이다.
정밀여과는 비교적 낮은 압력차로 미립자·세균을 거르는 압력 구동 공정이다.
역삼투는 삼투압보다 큰 압력을 가해 용매를 역방향으로 밀어내는 압력 구동 공정이다.

문제 19

유체에 대한 설명으로 옳은 것은?

1전단응력이 속도구배에 비례하는 유체를 뉴턴 유체(Newtonian fluid)라고 하며, 비례상수의 단위를 gㆍcm^-1ㆍs^-1로 표기하기도 한다.

2일정한 전단 응력 이하에서만 유체의 흐름이 일어나며, 전단응력은 속도구배에 비례하는 유체를 빙햄 유체(Bingham fluid)라고 한다.

3속도구배가 증가함에 따라 점도가 증가하는 유체를 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)라고 한다.

4점탄성 유체(viscoelastic fluid)는 응력이 존재하면 변형하면서 흐르다가 응력이 사라지면 완전히 원래의 형태로 돌아간다.

정답 및 해설

전단응력이 속도구배에 비례하는 유체가 뉴턴 유체이며, 그 비례상수인 점도의 단위로 $\mathrm{g\,cm^{-1}s^{-1}}$ (poise)를 쓴다는 설명이 옳다.

뉴턴 유체는 $\tau=\mu\dfrac{du}{dy}$ 를 따르고, 점도 $\mu$ 는 속도구배와 무관한 상수이다.

빙햄 유체는 일정한 전단응력(항복응력) 이상에서만 흐르기 시작하므로 '이하에서만 흐른다'는 설명은 틀리다.
속도구배가 증가할수록 점도가 증가하는 것은 팽창성(dilatant) 유체이며, 유사가소성 유체는 점도가 감소한다.
점탄성 유체는 응력이 사라져도 탄성 변형분만 일부 회복하고 완전히 원래 형태로 돌아가지는 않으므로 틀리다.

문제 20

흡수조작에서 편류(channeling) 현상을 방지하기 위한 수단에 해당하지 않는 것은?

1불규칙하게 충전하기 위하여 주로 충전물을 쏟아 넣는 방식으로 충전한다.

2탑 지름과 충전물 지름의 비를 최소 8:1로 한다.

3충전부의 적당한 위치에 액체용 재분배장치를 설치한다.

4충전탑의 높이를 증가시킨다.

정답 및 해설

충전탑의 높이를 증가시키는 것은 편류를 막는 수단이 아니며, 오히려 높이가 높을수록 액이 벽 쪽으로 쏠리는 편류가 심해진다.

편류는 액체가 충전층을 고르게 적시지 못하고 벽면 등 저항이 작은 경로로 몰려 흐르는 현상으로, 충전 상태와 액 분배를 개선해 방지한다.

충전물을 쏟아 넣는 불규칙 충전은 유로가 한쪽으로 정렬되는 것을 막아 편류 방지에 해당한다.
탑 지름과 충전물 지름의 비를 크게(최소 8:1) 하면 벽 효과가 줄어 편류 방지에 해당한다.
충전부 중간에 액체 재분배장치를 두면 벽으로 쏠린 액을 다시 고르게 분배하므로 편류 방지에 해당한다.