[9급 국가직 화학공학일반] 10년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

옳지 않은 것은 속도·농도 경계층의 상대 두께가 Prandtl수의 지배를 받는다는 진술이다. 속도와 농도 경계층의 비는 Schmidt수가 결정한다.
Prandtl수(ν/α)는 속도 경계층과 온도 경계층의 상대 두께를 결정한다.
Sc는 운동량 확산과 물질 확산의 비: Sc = ν/$\mathrm{D}_{AB}$의 정의다.
강제대류 열전달에서 Nu = f(Re, Pr): 맞는 상관 관계다.
강제대류 물질전달에서 Sh = f(Re, Sc): 열전달과의 상사 관계다.

기체 집진장치가 아닌 것은 드럼 필터다.
드럼 필터(회전 드럼 진공 여과기)는 슬러리에서 고체를 분리하는 고–액 여과 장치다.
정전 필터: 코로나 방전을 이용한 전기 집진기다.
백 필터: 여과포로 분진을 거르는 집진기다.
사이클론: 원심력을 이용한 집진기다.

디젤 사이클은 단열압축 → 정압가열 → 단열팽창 → 정적방열로 구성된다.
오토 사이클과 달리 연료를 압축 공기에 분사해 연소시키므로 가열 과정이 정압이다.
단열압축–정적가열–단열팽창–정압방열: 가열·방열 과정이 뒤바뀌었다.
등온압축–정압가열–등온팽창–정적방열: 디젤 사이클의 압축·팽창은 단열(등엔트로피) 과정이다.
등온압축–정적가열–등온팽창–정압방열: 압축·팽창이 단열이 아니고 가열·방열 과정도 뒤바뀌었다.

세후 순이윤은 미화 70만 불이다. 감가상각비는 세전 이익 계산 때 비용으로 뺀다.
세전 이익: $400-280-20=100$ (만 불)
세후 순이윤: $100\times(1-0.3)=70$ (만 불)
감가상각을 비용으로 차감하면 과세 대상 이익이 줄어드는 효과가 있다.

손익분기 연간 생산량은 6만 개이다. 회전율(turnover ratio)은 연간 매출액 / 투자 자본이므로 투자액에 회전율을 곱하면 필요한 매출이 나온다.
투자 자본 = 부지 10억 + 장치 15억 + 유틸리티·건설 5억 = 30억 원
필요 매출 = $2\times30=60$억 원
생산량 = 60억 원 ÷ 10만 원 = 60,000개. 영업비용은 판매 활동에 드는 운영비로 투자 자본에 넣지 않는다.

옳지 않은 것은 외부 유동 항력이 주로 압력차에 의한 표면마찰항력이라는 진술이다.
압력차로 생기는 항력은 형상항력(압력항력)이고, 표면마찰항력은 점성 전단에 의한 것이다.
평판 임계 레이놀즈수 약 5 × 10⁵: 평판 경계층 천이의 대표값이다.
난류 경계층 벽면의 얇은 점성저층: 난류에서도 벽 바로 옆은 점성이 지배한다.
경계층 점성전단에 의한 항력이 표면마찰: 표면마찰의 정의다.

상대휘발도는 3이다. 몰수를 몰분율로 바꾼 뒤 정의식에 넣는다.
기상: $y_A=0.75$, $y_B=0.25$ / 액상: $x_A=x_B=0.5$
$\alpha_{AB}=\dfrac{y_A/x_A}{y_B/x_B}=\dfrac{0.75/0.5}{0.25/0.5}=3$. 값이 1보다 크므로 A가 더 휘발성이다.

해당 여과기는 십자류 여과기(crossflow filter)다.
급송액을 가압하여 여과매체 표면을 따라 고속으로 흘려 케이크가 쌓이는 것을 막으면서 여액만 매체를 통과시킨다.
케이크 여과기: 고체가 매체 위에 케이크로 쌓이며 걸러진다.
청정 여과기: 소량의 미립자를 매체 내부에 포착해 액을 맑게 한다.
진공 여과기: 감압으로 여과 구동력을 얻으며 가압 조작이 아니다.

증기 중 에탄올 몰분율은 0.8이다. 플래시 증류 전후의 전체·성분 물질수지로 구한다.
원료: 1 mol(에탄올 0.5 mol)
잔액: 0.5 mol × 0.2 = 에탄올 0.1 mol
증기: 0.5 mol, 에탄올 $0.5-0.1=0.4\,\mathrm{mol}$
$y=\dfrac{0.4}{0.5}=0.8$. 평형 데이터 없이 물질수지만으로 결정된다.

옳지 않은 것은 증발열이 작아야 한다는 진술이다.
냉매는 증발할 때 주위 열을 흡수하므로 증발잠열이 커야 적은 냉매 순환량으로 큰 냉동 효과를 낸다.
증발 압력이 대기압보다 약간 높음: 공기·수분이 새어 들어오는 것을 막는다.
소요 동력이 작음: 성능계수가 크다는 뜻이다.
임계온도가 상온보다 높음: 상온 응축기에서 액화할 수 있어야 한다.

과잉공기 백분율은 25%이다. 과잉공기는 이론공기량 대비 초과분의 비율이다.
$\dfrac{5000-4000}{4000}\times100=25\,\%$
분모는 공급 공기량이 아니라 이론공기량이다(공급량을 쓰면 20%로 틀린다).

하부 유출 용액의 농도는 372 mg/L이다. 전체 유량 수지와 용질 수지를 세운다.
하부 유량: $2-1.6=0.4\,\mathrm{L\,s^{-1}}$
용질: $80\times2=7\times1.6+0.4C$
$160=11.2+0.4C\;\Rightarrow\;C=372\,\mathrm{mg\,L^{-1}}$
상부로 빠지는 용질이 적으므로 대부분의 용질이 하부로 농축된다.

옳지 않은 것은 층류 Fanning 마찰계수가 24/Re라는 진술이다.
원관 층류의 Fanning 마찰계수는 16/Re이다(Darcy 마찰계수는 64/Re).
층류에서 Hagen–Poiseuille 식 사용: 층류 압력손실의 정확한 식이다.
이음쇠·밸브에 상당길이 사용: 부속품 손실을 같은 손실의 직관 길이로 환산한다.
난류에서 Fanning 마찰계수 사용: Re와 상대조도로 구한 마찰계수를 쓴다.

옳지 않은 것은 환류비를 늘리면 필요한 이론단수가 증가한다는 진술이다.
환류비가 커지면 조작선이 대각선에 가까워져 필요 이론단수는 감소한다.
끓는점이 다른 혼합물을 분리: 증류의 원리다.
McCabe–Thiele법은 엔탈피 수지 없이 사용: 일정 몰 유량(CMO)을 가정한다.
상대휘발도 일정 시 Fenske식으로 최소 이론단수: 전환류 조건의 식이다.

옳지 않은 것은 낙하속도가 밀도차의 제곱에 비례한다는 진술이다. Stokes 침강속도는 밀도차에 1제곱으로 비례한다.
$u_t=\dfrac{gD_p^2(\rho_p-\rho)}{18\mu}$
입도가 작은 입자에 적용: Re < 1 정도의 미세 입자 영역 식이다.
입자 직경의 제곱에 비례: 식의 $D_p^2$ 항이다.
점도에 반비례: 식의 분모 $18\mu$ 항이다.

위 평판이 유체에 작용하는 주요 힘은 접촉면에 작용하는 수평 힘(전단력)으로 표시한다. 평판이 면과 나란히 움직이므로 유체에 가해지는 힘은 접선 방향 전단응력이다.
$\tau=\dfrac{F}{A}=\mu\dfrac{V}{h}$
이동한 단위 길이당 힘: 일(에너지)과 관련된 양으로 전단력 표시 방식이 아니다.
접촉면의 수직 힘: 압력에 해당하며 평판 이동을 유지하는 힘이 아니다.
유체 단위 체적당 힘: 체적력(중력 등)의 표시 방식이다.

올바른 관계는 Nu = Re·Pr·St이다. Stanton 수는 Nusselt 수를 Re와 Pr의 곱으로 나눈 값이다.
$St=\dfrac{h}{\rho C_pV}=\dfrac{Nu}{Re\cdot Pr}$
따라서 $Nu=Re\cdot Pr\cdot St$이고, Re·Pr은 Peclet 수다.
Re = St·Pr·Nu: 정의식 St = Nu/(Re·Pr)을 정리한 관계와 맞지 않는다.
St = Re·Pr·Nu: St는 Nu를 Re·Pr로 나눈 값이지 곱한 값이 아니다.
Pr = Re·St·Nu: 정의식을 정리한 관계와 맞지 않는다.

옳지 않은 것은 Kirchhoff 법칙이 전체 복사력이 흡수율의 제곱근에 비례한다는 진술이다.
Kirchhoff 법칙은 열평형에서 방사율 = 흡수율, 즉 복사력이 흡수율에 1제곱으로 비례함을 말한다.
Stefan–Boltzmann 법칙: 흑체 총복사력이 $T^{4}$에 비례하며 Planck 식을 적분해 얻는다.
Wien 변위법칙: 최대 복사 파장이 절대온도에 반비례한다.
Planck 분포식: 흑체 단색 복사력을 온도·파장의 함수로 나타낸다.

유출액 6,000 kg/hr, 관출액 9,000 kg/hr이다. 벤젠 성분 수지와 전체 수지를 연립한다.
관출액의 벤젠 분율: $1-0.98=0.02$
$D=F\dfrac{z_F-x_B}{x_D-x_B}=15000\times\dfrac{0.40-0.02}{0.97-0.02}=6000$
$B=15000-6000=9000$

최저 비점 공비혼합물이 아닌 것은 아세톤 + 클로로포름이다.
이 계는 수소결합으로 분자 간 인력이 강해져 증기압이 낮아지는 최고 비점 공비혼합물이다.
에탄올 + 벤젠: 라울 법칙에서 양의 편차를 보이는 최저 비점 공비계다.
아세톤 + 이황화탄소: 양의 편차를 보이는 최저 비점 공비계다.
에탄올 + 물: 약 95 wt% 에탄올 부근에서 최저 비점 공비점을 갖는다.