[9급 국가직 화학공학일반] 11년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

표면장력은 단위 길이당 작용하는 힘으로 나타낸다. 단위는 N/m(또는 dyne/cm)이다.
N/m = J/$m^{2}$이므로 표면장력은 단위 면적당 표면 에너지와 같은 차원이다.
단위 면적당 힘: 압력·응력의 단위다.
단위 체적당 힘: 중력 같은 체적력의 표시다.
단위 밀도당 힘: 표면장력과 무관한 조합이다.

포름알데히드 중 C의 질량 백분율은 40%이다. 분자식 HCHO(C$\mathrm{H}_{2}$O)의 분자량은 $12+2+16=30$이다.
$\dfrac{12}{30}\times100=40\,\%$
H는 6.7%, O는 53.3%로 세 원소 합이 100%가 된다.

출구 유속은 10/π m/s이다. 질량유량을 부피유량으로 바꾼 뒤 출구 단면적으로 나눈다.
$Q=\dfrac{90000}{3600\times1000}=0.025\,\mathrm{m^3\,s^{-1}}$
$A=\dfrac{\pi}{4}(0.1)^2=0.0025\pi\,\mathrm{m^2}$
$V=\dfrac{0.025}{0.0025\pi}=\dfrac{10}{\pi}\,\mathrm{m\,s^{-1}}$. 입구 지름 200 mm는 출구 유속 계산에 필요 없다(연속식).

종말 속도는 0.01 m/s이다. 10 m 높이는 종말 속도에 도달하기에 충분하므로 Stokes 식으로 바로 구한다.
$u_t=\dfrac{gD_p^2(\rho_p-\rho)}{18\mu}=\dfrac{9\times(20\times10^{-6})^2\times1000}{18\times2\times10^{-5}}$
$=\dfrac{3.6\times10^{-6}}{3.6\times10^{-4}}=0.01\,\mathrm{m\,s^{-1}}$
입자 밀도 1 g/$\mathrm{cm}^{3}$를 1000 kg/$m^{3}$로 바꾸고 공기 밀도는 무시한다.

미지 액체의 점도는 0.6 cP이다. 오스왈드 점도계에서 점도는 밀도와 유출 시간의 곱에 비례한다.
$\dfrac{\mu}{\mu_w}=\dfrac{\rho t}{\rho_wt_w}=\dfrac{3}{5}$
$\mu=0.6\times1=0.6\,\mathrm{cP}$
밀도가 같으므로 시간 비만으로 결정된다.

옳지 않은 것은 기계적 마모가 적다는 진술이다.
습식분쇄는 액체와 함께 분쇄해 분쇄기 마모가 오히려 크다.
미분쇄 시 분쇄능력이 큼: 액체가 미분의 응집을 막아 분쇄 효율이 높다.
소비동력이 적고 수송이 용이: 슬러리 상태로 펌프 수송이 가능하다.
먼지가 나지 않아 위생적: 분진 발생이 없다.

옳지 않은 것은 프로펠러형 교반기가 점성이 큰 액체에도 쓸 수 있다는 진술이다.
프로펠러형은 고속 회전 축류형으로 저점도 액체에 적합하다.
공기교반기: 액 속에 공기를 불어 넣어 기포 흐름으로 교반한다.
섬유상 물질은 혼합이 어려움: 서로 얽혀 고르게 분산되기 어렵다.
Bond 법칙: 분쇄 에너지가 입자 지름의 제곱근에 반비례한다.

흡수율이 모든 파장에서 같은 물체는 회색체다.
흡수율(=방사율)이 1보다 작지만 파장에 무관하게 일정하다.
흑체: 모든 파장의 복사를 전부 흡수(흡수율 1)하는 이상 물체다.
담체: 촉매를 지지하는 물질로 복사 용어가 아니다.
백색체: 입사 복사를 모두 반사하는 물체다.

열전달속도는 약 0.42 kcal/$m^{2}$·min이다. 평판 전도식으로 시간당 값을 구한 뒤 분 단위로 바꾼다.
$\dfrac{q}{A}=\dfrac{k\Delta T}{L}=\dfrac{0.1\times25}{0.1}=25\,\mathrm{kcal\,m^{-2}\,hr^{-1}}$
$\dfrac{25}{60}=0.417\approx0.42\,\mathrm{kcal\,m^{-2}\,min^{-1}}$
열전도도가 시간(hr) 기준이므로 60으로 나눠야 한다.

옳지 않은 것은 Nu = 1이면 속도·온도 경계층이 같은 속도로 성장한다는 진술이다.
Nu = 1은 대류 열전달이 순수 전도와 같은 크기라는 뜻이고, 두 경계층 두께가 같은 것은 Pr = 1일 때다.
자연대류 Nu = f(Gr, Pr): 부력이 흐름을 일으키므로 Gr이 들어간다.
강제대류 Nu = f(Re, Pr): 강제대류 상관식의 형태다.
균일 열유속·층류·완전발달 원관 유동: Nu가 상수(약 4.36)로 Re·Pr과 무관하다.

해당 밸브는 게이트 밸브다.
완전히 열면 유로가 관 지름과 거의 같고 흐름 방향이 바뀌지 않아 압력손실이 작지만, 개도와 유량 관계가 나빠 유량 조절에는 부적합하다.
글로브 밸브: 흐름 방향이 바뀌어 손실이 크지만 유량 조절이 쉽다.
첵 밸브: 역류 방지용이다.
볼 밸브: 구멍 뚫린 구를 회전시켜 여닫는 밸브로 4분의 1 회전 개폐용이다.

정속건조 속도는 0.1 g/$m^{2}$·s이다. 정속건조기간에는 표면이 습구온도로 유지되고 받은 열이 모두 증발에 쓰인다.
$R_c=\dfrac{h(T-T_w)}{\lambda_w}=\dfrac{10\times(50-30)}{2000}=0.1\,\mathrm{g\,m^{-2}\,s^{-1}}$
10 W/$m^{2}$·℃ × 20℃ = 200 J/$m^{2}$·s를 잠열 2,000 J/g으로 나눈 값이다.

공급단에서 내려가는 액량은 111 kgmol/hr이다. 공급단을 떠나 올라가는 증기 20으로 농축부 유량을 정하고(일정 몰 유량 가정) 공급단 물질수지를 세운다.
농축부: $V=(R+1)D\;\Rightarrow\;D=\dfrac{20}{5}=4$, $L=RD=16$
공급단 수지(들어옴 = 나감): $F+L+V^\prime=L^\prime+V$
$100+16+15=L^\prime+20\;\Rightarrow\;L^\prime=111$
공급단에는 원료, 위 단의 액, 아래 단의 증기가 들어오고 위로 가는 증기와 아래로 가는 액이 나간다.

HETP는 0.5 m이다. 충전 높이를 이론단수로 나눈다.
$HETP=\dfrac{Z}{N}=\dfrac{3}{6}=0.5\,\mathrm{m}$
HETP가 작을수록 같은 높이에서 더 많은 이론단을 얻는 효율 좋은 충전물이다.

1회 추잔율은 50%이다. 톨루엔과 물이 섞이지 않는다고 보고 무용질 기준 비(X, Y)로 수지를 세운다.
초기: $X_0=\dfrac{8}{50}=0.16$
$50X_0=50X+25Y=50X+25(2X)=100X$
$X=0.08$
잔류 아세트알데히드 = 50 × 0.08 = 4 kg이므로 추잔율 = 4 / 8 = 50%이다.

동력비는 ln5 / ln2이다. 등온 압축 일은 압력비의 자연로그에 비례한다.
$W=nRT\ln\dfrac{p_{out}}{p_{in}}$
$\dfrac{W_2}{W_1}=\dfrac{\ln(5/1)}{\ln(2/1)}=\dfrac{\ln5}{\ln2}$
같은 유량·온도·효율이면 nRT가 약분되어 압력비의 로그 비만 남는다.
5/2: 압력비 자체의 비로, 로그를 빠뜨렸다.
√(5/2): 압력비에 제곱근을 붙인 것으로 등온 일의 로그 관계와 다르다.
√(ln5/ln2): 등온 일에는 제곱근 관계가 없다.

기계식 진공펌프가 아닌 것은 제트 펌프다.
제트 펌프(이젝터)는 고속 증기·액체 분류가 주위 기체를 빨아들이는 분사식 진공펌프다.
왕복식 펌프: 피스톤의 왕복으로 기체를 배출하는 기계식이다.
축류식 펌프: 회전 날개로 기체를 축 방향으로 보내는 기계식이다.
회전식 펌프: 회전자로 기체를 압축·배출하는 기계식이다.

옳지 않은 것은 벽이 두꺼워질수록 규격번호(스케줄 번호)가 작아진다는 진술이다.
파이프는 같은 호칭지름에서 스케줄 번호가 클수록 벽이 두껍다.
튜브는 압착·플레어 이음쇠·땜질로 연결: 얇은 튜브의 일반 연결법이다.
지름과 벽 두께로 규격을 정함: 파이프·튜브 모두 해당한다.
튜브 벽 두께는 BWG 번호: BWG는 번호가 클수록 벽이 얇다.

현금 지출이 없는 경비는 감가상각비다.
설비 취득 시 이미 지출한 금액을 내용연수에 걸쳐 비용으로만 배분하는 항목이다.
공정 관리비: 인건비 등 실제 현금이 나간다.
기술비: 기술료·용역비 등 현금 지출이 있다.
조사 연구비: 연구 인력·재료비 등 현금 지출이 있다.

마찰 에너지 손실은 약 433 J/kg이다. Re가 매우 작은 층류이므로 상당길이를 더한 뒤 Hagen–Poiseuille 식을 쓴다.
$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{0.8\times50\times3}{15}=8$ (층류)
상당길이: $L_e=(2\times30+40)\times0.03=3\,\mathrm{m}$, 총길이 13 m
$h_f=\dfrac{32\mu VL}{\rho D^2}=\dfrac{32\times1.5\times0.5\times13}{800\times0.03^2}=\dfrac{312}{0.72}=433\,\mathrm{J\,kg^{-1}}$
점도 15 P = 1.5 Pa·s, 밀도 0.8 g/$\mathrm{cm}^{3}$ = 800 kg/$m^{3}$로 SI 단위를 맞춘다.