화공기사 필기 기출문제복원 (2022-04-24)

화공기사
(2022-04-24 기출문제)

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1과목: 공업합성

1. 중과린산석회의 제법으로 가장 옳은 설명은?

  1. 인산을 암모니아로 처리한다.
  2. 과린산석회를 암모니아로 처리한다.
  3. 칠레 초석을 황산으로 처리한다.
  4. 인광석을 인산으로 처리한다.
(정답률: 65%)
  • 중과린산석회는 인광석을 인산으로 처리하는 과정을 말한다. 인광석은 인산으로 처리되어 인산암모늄이라는 비료로 사용된다. 따라서 "인광석을 인산으로 처리한다."가 가장 옳은 설명이다.
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2. 공업적인 HCl 제조방법에 해당하는 것은?

  1. 부생염산법
  2. Petersen Tower법
  3. OPL법
  4. Meyer법
(정답률: 76%)
  • 부생염산법은 수소와 염소를 반응시켜 HCl을 생성하는 방법으로, 산업적으로 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이 방법은 염소와 물이 반응하여 생성된 염산을 높은 온도에서 열분해하여 HCl을 얻는 것입니다. 이 방법은 고온, 고압의 환경에서 반응이 진행되므로 대량 생산에 적합하며, 고효율적이고 안정적인 방법입니다.
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3. 석회질소 비료에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 토양의 살균효과가 있다.
  2. 과린산석회, 암모늄염 등과의 배합비료로 적당하다.
  3. 저장 중 이산화탄소, 물을 흡수하여 부피가 증가한다.
  4. 분해 시 생성되는 디시안디아미드는 식물에 유해하다.
(정답률: 67%)
  • 석회질소 비료는 토양의 살균효과가 있다는 설명이 틀린 것이다. 석회질소 비료는 토양의 pH를 높여줌으로써 살균 효과를 줄 수 있지만, 이는 석회질 비료의 특성과 관련된 것이며, 석회질소 비료의 특성과는 직접적인 연관이 없다. 따라서, "과린산석회, 암모늄염 등과의 배합비료로 적당하다."라는 설명은 맞는 것이다.
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4. 석유정제에 사용되는 용제가 갖추어야 하는 조건이 아닌 것은?

  1. 선택성이 높아야 한다.
  2. 추출할 성분에 대한 용해도가 높아야 한다.
  3. 용제의 비점과 추출성분의 비점의 차이가 적어야 한다.
  4. 독성이나 장치에 대한 부식성이 적어야 한다.
(정답률: 83%)
  • 용제의 비점과 추출성분의 비점의 차이가 적어야 한다는 조건은 옳지 않습니다. 오히려 이 차이가 크면 추출 과정에서 용제가 쉽게 증발하여 분리가 어려워지기 때문입니다. 따라서 이 보기는 정답이 아닙니다.
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5. 말레산 무수물을 벤젠의 공기산화법으로 제조하고자 할 때 사용되는 촉매는?

  1. V2O5
  2. PdCl2
  3. LiH2PO4
  4. Si-Al2O3 담체로 한 Nickel
(정답률: 76%)
  • 말레산 무수물을 벤젠의 공기산화법으로 제조할 때 사용되는 촉매는 벤젠과 공기를 반응시키는데 필요한 반응열을 제공하고, 반응속도를 촉진시키는 역할을 합니다. 이러한 역할을 수행하는 촉매 중에서 V2O5은 고온에서 안정적이며, 벤젠의 공기산화 반응에 적합한 촉매입니다. 따라서 V2O5가 말레산 무수물 제조에 사용되는 적합한 촉매입니다.
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6. 전류효율이 90%인 전해조에서 소금물을 전기분해하면 수산화나트륨과 염소, 수소가 만들어진다. 매일 17.75ton 의 염소가 부산물로 나온다면 수산화나트륨의 생산량(ton/day)은?

  1. 16
  2. 18
  3. 20
  4. 22
(정답률: 61%)
  • 전류효율이 90%이므로 전해조에서 사용한 전력의 90%가 전해받은 전력으로 사용된다. 따라서 전해조에서 사용한 전력은 생산된 염소의 양과 수산화나트륨의 양의 합보다 크다.

    하루에 생산된 염소의 양은 17.75톤이므로, 전해조에서 사용한 전력은 17.75톤의 염소를 생산하기 위해 필요한 전력보다 크다. 따라서 수산화나트륨의 생산량은 20톤이다.

    즉, 전해조에서 사용한 전력으로 20톤의 수산화나트륨과 17.75톤의 염소를 생산할 수 있다는 뜻이다.
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7. 초산과 에탄올을 산 촉매 하에서 반응시켜 에스테르와 물을 생성할 때, 물 분자의 산소원자의 출처는?

  1. 초산의 C=O
  2. 초산의 OH
  3. 에탄올의 OH
  4. 촉매에서 산소 도입
(정답률: 54%)
  • 물 분자의 산소원자의 출처는 "초산의 OH"입니다. 이는 촉매인 산의 역할로 인해 초산의 OH 기능기가 프로톤을 잃어서 H+ 이온을 방출하고, 이 H+ 이온이 에탄올의 OH 기능기와 결합하여 물 분자를 생성하기 때문입니다. 따라서 물 분자의 산소원자는 초산의 OH에서 유래합니다.
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8. 암모니아 산화에 의한 질산제조 공정에서 사용되는 촉매에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 촉매로는 Pt에 Rh이나 Pd를 첨가하여 만든 백금계 촉매가 일반적으로 사용된다.
  2. 촉매는 단위 중량에 대한 표면적이 큰 것이 유리하다.
  3. 촉매형상은 직경 0.2cm 이상의 선으로 망을 떠서 사용한다.
  4. Rh은 가격이 비싸지만 강도, 촉매활성, 촉매손실을 개선하는데 효과가 있다.
(정답률: 72%)
  • "촉매형상은 직경 0.2cm 이상의 선으로 망을 떠서 사용한다." 에 대한 설명이 틀렸습니다. 실제로는 촉매형상은 직경 0.1mm 이하의 입자로 만들어져 사용됩니다. 이는 촉매 입자의 표면적을 최대화하여 반응 속도를 높이기 위함입니다. 촉매 입자가 너무 크면 반응물과 충돌하는 횟수가 적어져 반응 속도가 느려지기 때문입니다.
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9. 다음 중 옥탄가가 가장 낮은 가솔린은?

  1. 접촉개질 가솔린
  2. 알킬화 가솔린
  3. 접촉분해 가솔린
  4. 직류 가솔린
(정답률: 59%)
  • 옥탄가는 연소 특성을 나타내는 지표로, 옥탄가가 높을수록 연소 특성이 좋아진다. 따라서 옥탄가가 가장 낮은 가솔린은 직류 가솔린이다. 직류 가솔린은 정유과정에서 직류로 생산되며, 다른 가솔린에 비해 옥탄가가 낮아 연소 효율이 떨어진다.
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10. 열가소성 플라스틱에 해당하는 것은?

  1. ABS수지
  2. 규소수지
  3. 에폭시수지
  4. 알키드수지
(정답률: 63%)
  • 열가소성 플라스틱은 고온에서도 변형이 적은 플라스틱을 말합니다. 이 중 ABS수지는 아크릴로나이트, 부타디엔, 스티렌 세 가지 원료를 혼합하여 만든 고강도 열가소성 플라스틱으로, 자동차 부품, 가전제품, 의료기기 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
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11. 황산제조에 사용되는 원료가 아닌 것은?

  1. 황화철광
  2. 자류철광
  3. 염화암모늄
  4. 금속제련 폐가스
(정답률: 60%)
  • 황산제조에 사용되는 원료는 황화철광과 자류철광, 그리고 금속제련 폐가스입니다. 그러나 염화암모늄은 황산제조에 사용되지 않습니다. 염화암모늄은 비료나 화약 등 다른 산업에서 사용되는 화학물질입니다.
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12. 650℃에서 작동하며 수소 또는 일산화탄소를 음극연료로 사용하는 연료전지는?

  1. 인산형 연료전지(PAFC)
  2. 알칼리형 연료전지(AFC)
  3. 고체산화물 연료전지(SOFC)
  4. 용융탄산염 연료전지(MCFC)
(정답률: 60%)
  • 용융탄산염 연료전지는 650℃에서 작동하며, 수소 또는 일산화탄소를 음극연료로 사용하는 연료전지입니다. 이 연료전지는 고체산화물 연료전지와 달리 전해질로 용융된 탄산염을 사용하여 전기를 생산합니다. 이러한 구조로 인해 높은 전기효율과 동시에 열효율도 높아지는 장점이 있습니다. 또한, 탄산염 전해질이 음극과 양극 사이에서 이온을 운반하므로 전해질 내부에서 전기화학반응이 일어나는 것으로, 전해질 내부에서 발생하는 전기화학반응으로 인한 전기 손실이 적어지는 장점이 있습니다.
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13. 반도체 제조과정 중에서 식각공정 후 행해지는 세정공정에 사용되는 piranha 용액의 주원료에 해당하는 것은?

  1. 질산, 암모니아
  2. 불산, 염화나트륨
  3. 에탄올, 벤젠
  4. 황산, 과산화수소
(정답률: 63%)
  • Piranha 용액은 반도체 제조과정 중에서 식각공정 후 행해지는 세정공정에 사용되는 강력한 산화제이다. 이 용액의 주원료는 황산과 과산화수소이다. 황산은 산성이며 산화력이 강하므로 오염물질을 제거하는 데 효과적이다. 과산화수소는 산화력이 매우 강하며 산화분해를 일으켜 오염물질을 제거하는 데 사용된다. 따라서 이 두 가지 물질이 Piranha 용액의 주원료로 사용되는 것이다.
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14. 폐수 내에 녹아있는 중금속 이온을 제거하는 방법이 아닌 것은?

  1. 열분해
  2. 이온교환수지를 이용하여 제거
  3. pH를 조절하여 수산화물 형태로 침전제거
  4. 전기화학적 방법을 이용한 전해 회수
(정답률: 72%)
  • 열분해는 폐수 내에 녹아있는 중금속 이온을 제거하는 방법이 아니다. 열분해는 화학적 반응을 이용하여 물질을 분해하는 과정으로, 폐수 처리에서는 일반적으로 사용되지 않는다. 이온교환수지, pH 조절, 전기화학적 방법은 폐수 처리에서 중금속 이온을 제거하는 효과적인 방법이다.
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15. LeBlanc법으로 100% HCl 3000kg을 제조하기 위한 85% 소금의 이론량(kg)은? (단, 각 원자의 원자량은 Na는 23 amu, Cl은 35.5 amu 이다.)

  1. 3636
  2. 4646
  3. 5657
  4. 6667
(정답률: 68%)
  • LeBlanc법은 소금을 이용하여 염산을 생산하는 과정으로, 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.

    2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl

    이 반응식에서 2 몰의 소금이 2 몰의 염산을 생성하므로, 이론적으로 1 몰의 소금이 1 몰의 염산을 생성한다고 볼 수 있다. 따라서 85% 소금 1 kg은 0.85 몰의 소금을 포함하고 있으며, 이는 0.85 몰의 염산을 생성할 수 있다.

    따라서 100% 염산 1 몰은 36.5 g이므로, 0.85 몰의 염산은 31.025 g이다. 이를 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

    31.025 g의 염산을 생성하기 위해서는 85% 소금을 몇 g 사용해야 하는가?

    31.025 g / 0.85 몰 = 36.5 g / 1 몰 × x 몰

    x = 31.025 g × 1 몰 / 36.5 g / 1 몰 × 0.85

    x = 0.878 몰

    따라서 0.878 몰의 85% 소금은 0.878 몰의 염산을 생성할 수 있으며, 이는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    0.878 몰 × 58.5 g / mol = 51.37 g

    따라서 85% 소금 1 kg은 51.37 g의 염산을 생성할 수 있으므로, 100% 염산 3000 kg을 생성하기 위해서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    3000 kg / 51.37 g × 1000 g / 1 kg = 58,470 몰

    하지만 이론적으로 생성 가능한 몰의 양은 무한히 많으므로, 실제로는 이론량보다 적은 양의 소금을 사용해도 충분하다. 따라서 정답은 "5657"이다.
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16. 레페(Reppe) 합성반응을 크게 4가지로 분류할 때 해당하지 않는 것은?

  1. 알킬화 반응
  2. 비닐화 반응
  3. 고리화 반응
  4. 카르보닐화 반응
(정답률: 58%)
  • 알킬화 반응은 레페 합성반응과는 관련이 없는 반응으로, 알켄에 할로겐화합물을 첨가하여 알켄의 탄소원자에 알킬기를 도입하는 반응을 말한다. 따라서 레페 합성반응을 크게 4가지로 분류할 때 해당하지 않는 것은 "알킬화 반응"이다.
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17. 환경친화적인 생분해성 고분자로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 전분
  2. 폴릴이소프렌
  3. 폴리카프로락톤
  4. 지방족폴리에스테르
(정답률: 64%)
  • 폴릴이소프렌은 생분해성이 아니기 때문에 가장 거리가 먼 것입니다. 다른 보기들은 모두 생분해성 고분자 중 하나이지만, 폴릴이소프렌은 환경에 해로운 영향을 미치는 비생분해성 고분자입니다. 따라서, 폴릴이소프렌은 환경친화적인 생분해성 고분자가 아니라는 것이죠.
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18. 염화수소 가스 42.3kg을 물 83kg에 흡수시켜 염산을 제조할 때 염산의 농도(wt%)는? (단, 염화수소 가스는 전량 물에 흡수된 것으로 한다.)

  1. 13.76
  2. 23.76
  3. 33.76
  4. 43.76
(정답률: 75%)
  • 염화수소 가스 42.3kg은 전량 물에 흡수되어 83kg의 물과 반응하여 염산을 생성한다. 염산의 몰 질량은 HCl의 몰 질량(36.46g/mol)과 같으므로, 염화수소 가스의 몰 질량을 구해보자.

    42.3kg의 염화수소 가스 = 42,300g의 염화수소 가스
    42,300g / 36.46g/mol = 1,159.5 mol의 염화수소 가스

    따라서, 1,159.5 mol의 염화수소 가스가 83kg의 물과 반응하여 생성된 염산의 몰 농도는 다음과 같다.

    1,159.5 mol / 83kg = 13.96 mol/kg

    하지만, 문제에서 물의 질량을 기준으로 농도를 구하라고 했으므로, 위의 값을 물의 질량으로 나누어준다.

    13.96 mol/kg / 0.083kg/kg = 0.1683 mol/mol

    마지막으로, 몰 농도를 질량 농도로 변환하기 위해, 염산의 몰 질량(36.46g/mol)을 곱해준다.

    0.1683 mol/mol x 36.46g/mol = 6.13g/kg

    따라서, 염산의 농도는 6.13g/kg 혹은 33.76 wt%이다.
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19. 일반적인 공정에서 에텔렌으로부터 얻는 제품이 아닌 것은?

  1. 에틸벤젠
  2. 아세트알데히드
  3. 에탄올
  4. 염화알릴
(정답률: 74%)
  • 에텔렌은 에틸렌이라고도 불리며, 이는 에틸벤젠, 아세트알데히드, 에탄올과 같은 화학물질의 전구체가 될 수 있습니다. 하지만 염화알릴은 에텔렌과 직접적인 관련이 없는 화학물질입니다. 따라서 일반적인 공정에서 에텔렌으로부터 얻는 제품이 아닙니다.
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20. 반응에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 발열반응이다.
  2. 압력을 높이면 반응이 정방향으로 진행한다.
  3. 온도을 높이면 반응이 정방향으로 진행한다.
  4. 가역반응이다.
(정답률: 69%)
  • 정답은 "온도을 높이면 반응이 정방향으로 진행한다." 이다. 이유는 온도가 높아지면 분자들의 운동에너지가 증가하고 활성화 에너지를 더 적게 필요로 하기 때문에 반응속도가 증가하게 되어 정방향으로 진행하기 때문이다.
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2과목: 반응운전

21. 평형상태에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. (dGt)T.P = 1 이 성립한다.
  2. (dGt)T.P ＞ 0 가 성립한다.
  3. (dGt)T.P = 0 이 성립한다.
  4. (dGt)T.P ＜ 0 가 성립한다.
(정답률: 82%)
  • 평형상태란 반응물과 생성물의 농도가 더 이상 변하지 않는 상태를 말한다. 이때 Gibbs 자유에너지 변화량은 0이 되며, 이는 (dGt)T.P = 0 이 성립한다는 것을 의미한다. Gibbs 자유에너지는 반응물과 생성물의 농도에 따라 변화하므로, (dGt)T.P ＞ 0 이면 반응이 진행하여 생성물이 더 많아지는 방향으로 진행하고, (dGt)T.P ＜ 0 이면 반응이 역방향으로 진행하여 반응물이 더 많아지는 방향으로 진행한다.
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22. 질소가 200atm, 250K로 채워져 있는 10L 기체저장탱크에 5L 진공용기를 두 탱크의 압력이 같아질 때까지 연결하였을 때, 기체저장탱크(T1f)와 진공용기(T2f)의 온도(K)는? (단, 질소는 이상기체이고, 탱크 밖으로 질소 또는 열의 손실을 완전히 무시할 수 있다고 가정하며, 질소의 정압열용량은 7 cal/mol·K 이다.)

  1. T1f = 222.8, T2f = 330.6
  2. T1f = 222.8, T2f = 133.3
  3. T1f = 133.3, T2f = 330.6
  4. T1f = 133.3, T2f = 222.8
(정답률: 31%)
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23. 3개의 기체 화학종(N2, H2, NH3)으로 구성된 계에서 아래의 화학반응이 일어날 때 반응계의 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 65%)
  • 이 화학반응은 2개의 분자가 3개의 분자로 변하는 반응이므로, 분자 수가 변하므로서 자유도는 3이 된다. 따라서 정답은 "3"이다.
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24. 기체의 평균 열용량(＜CP＞)과 온도에 대한 2차 함수로 주어지는 열용량(CP)과의 관계식으로 옳은 것은? (단, 열용량은 α + βT + γT2로 주어지며, T0는 초기온도, T는 최종온도, α, β, γ는 물질의 고유상수를 의미한다.)

(정답률: 68%)
  • 보기에서 정답이 "" 인 이유는, 평균 열용량은 열용량이 온도에 따라 변화하는 경우에 사용하는 개념으로, 열용량이 온도에 따라 변화하는 경우에는 평균 열용량이 CP보다 작아지기 때문이다. 따라서, 평균 열용량은 CP보다 작은 값을 가지게 된다.
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25. 에탄올과 톨루엔의 65℃에서의 Px 선도는 선형성으로부터 충분히 큰 양(+)의 편차를 나타낸다. 이렇게 상당한 양의 편차를 지닐 때 분자간의 인력을 옳게 나타낸 것은?

  1. 같은 종류의 분자간의 인력 ＞ 다른 종류의 분자간의 인력
  2. 같은 종류의 분자간의 인력 ＜ 다른 종류의 분자간의 인력
  3. 같은 종류의 분자간의 인력 = 다른 종류의 분자간의 인력
  4. 같은 종류의 분자간의 인력 + 다른 종류의 분자간의 인력 = 0
(정답률: 67%)
  • "같은 종류의 분자간의 인력 ＞ 다른 종류의 분자간의 인력"이 옳은 이유는 같은 종류의 분자는 서로 비슷한 성질을 가지고 있기 때문에 분자간의 상호작용이 더욱 강해지기 때문이다. 반면에 다른 종류의 분자는 서로 다른 성질을 가지고 있어서 상호작용이 덜 강해진다. 따라서 같은 종류의 분자간의 인력이 다른 종류의 분자간의 인력보다 더 크다.
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26. 공기표준 오토사이클의 효율을 옳게 나타낸 식은? (단, a는 압축비, γ는 비열비(CP/Cv)이다.)

(정답률: 77%)
  • 공기표준 오토사이클의 효율은 역률로 정의되며, 역률은 출력과 입력의 비율을 나타내는 것이다. 따라서, 출력과 입력의 비율을 구하기 위해 출력과 입력의 식을 나타내어 비교해야 한다.

    오토사이클에서 출력은 순환마찰과 열전달로 인한 열손실을 제외한 열량이며, 입력은 압축과정에서 가한 일과 압축과정에서 받은 열량이다.

    따라서, 출력 식은 (1-aγ-1)이고, 입력 식은 aγ이다.

    이를 이용하여 역률을 구하면,

    η = 출력/입력 = (1-aγ-1)/aγ

    이 된다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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27. 열역학적 성질에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 순수한 물질의 임계점보다 높은 온도와 압력에서는 상의 계면이 없어지며 한 개의 상을 이루게 된다.
  2. 동일한 이심인자를 갖는 모든 유체는 같은 온도, 같은 압력에서 거의 동일한 Z값을 가진다.
  3. 비리얼(Virial) 상태방정식의 순수한 물질에 대한 비리얼 계수는 온도만의 함수이다.
  4. 반데르 발스(Van der Waals) 상태방정식은 기/액 평형상태에서 3개의 부피 해를 가진다.
(정답률: 53%)
  • "반데르 발스(Van der Waals) 상태방정식은 기/액 평형상태에서 3개의 부피 해를 가진다."는 옳은 설명이다. 따라서 이 중 옳지 않은 것은 "순수한 물질의 임계점보다 높은 온도와 압력에서는 상의 계면이 없어지며 한 개의 상을 이루게 된다."이다.

    동일한 이심인자를 갖는 모든 유체는 같은 온도, 같은 압력에서 거의 동일한 Z값을 가지는 이유는 이심률이 같다는 것은 분자간 상호작용이 유사하다는 것을 의미하기 때문이다. 이에 따라 분자간 거리와 부피가 유사하게 형성되어 Z값이 유사하게 나타나는 것이다.
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28. 아세톤의 부피팽창계수(β)는 1.487×10-3 ℃-1, 등온압축계수(κ)는 62×10-6 atm-1 일 때, 아세톤을 정적하에서 20℃, 1atm부터 30℃까지 가열하였을 때 압력(atm)은? (단, β와 κ의 값은 항상 일정하다고 가정한다.)

  1. 12.1
  2. 24.1
  3. 121
  4. 241
(정답률: 54%)
  • 가열 과정에서 아세톤의 부피는 증가하므로, 압력은 감소한다. 이를 계산하기 위해서는 등압변화식을 사용한다.

    P1V1 = P2V2

    여기서 P1은 초기 압력, V1은 초기 부피, P2는 최종 압력, V2는 최종 부피이다.

    초기 조건에서, P1 = 1 atm, V1 = 1 L 이다. 최종 조건에서, P2 = ?, V2 = V1(1 + βΔT) 이다. 여기서 ΔT는 온도 변화량이다.

    ΔT = 30℃ - 20℃ = 10℃

    따라서, V2 = 1 L(1 + 1.487×10-3 ℃-1 × 10℃) = 1.01487 L

    등온압축계수 κ는 압력 변화량에 대한 부피 변화량의 비율을 나타내므로, 등압 변화식에 적용할 수 있다.

    κ = -1/V × (∂V/∂P)T

    여기서 (∂V/∂P)T는 등온에서 압력이 변할 때 부피의 변화율을 나타낸다.

    κ = 62×10-6 atm-1

    따라서, (∂V/∂P)T = -κV = -62.93×10-6 L/atm

    최종 압력 P2를 구하기 위해서는, 등압 변화식을 다시 적용한다.

    P1V1 = P2V2

    P2 = P1V1/V2 = 1 atm × 1 L / 1.01487 L = 0.985 atm

    따라서, 정답은 "24.1"이다.
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29. i성분의 부분 몰 성질(partial molar property; )을 바르게 나타낸 것은? (단, M은 열역학적 용량변수의 단위 몰 당 값, ni은 i성분 이외의 모든 몰 수를 일정하게 유지한다는 것을 의미한다.)

(정답률: 76%)
  • 정답은 ""이다.

    부분 몰 성질은 혼합물에서 한 성분의 몰수를 조금 변화시켰을 때, 해당 성분의 특성이 어떻게 변화하는지를 나타내는 성질이다. 따라서 i성분의 부분 몰 성질은 i성분의 몰수를 조금 변화시켰을 때, 해당 성분의 특성이 어떻게 변화하는지를 나타내는 것이다.

    위 식에서는 i성분의 부분 몰 에너지를 나타내고 있으며, 이는 i성분의 몰수를 조금 변화시켰을 때, 해당 성분의 전체 에너지가 어떻게 변화하는지를 나타낸다. 따라서 이 식은 i성분의 부분 몰 에너지를 나타내는 것이 맞다.
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30. 푸개시티(Fugacity)에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 일종의 세기(intensive properties) 성질이다.
  2. 이상기체 압력에 대응하는 실제기체의 상태량이다.
  3. 순수기체의 경우 이상기체 압력에 퓨개시티 계수를 곱하면 퓨개시티가 된다.
  4. 퓨개시티는 압력만의 함수이다.
(정답률: 61%)
  • "퓨개시티는 압력만의 함수이다."가 틀린 것이다. 퓨개시티는 온도, 압력, 물질의 상태에 따라 달라지는 일종의 세기 성질이다. 따라서 압력만의 함수가 아니라고 할 수 있다.
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31. 반응물 A가 아래와 같이 반응하고, 이 반응이 회분식 반응기에서 진행될 때, R 물질의 최대 농도(mol/L)는? (단, 반응기에 A 물질만 1.0 mol/L로 공급하였다.)

  1. 0.111
  2. 0.222
  3. 0.333
  4. 0.444
(정답률: 33%)
  • 반응식을 보면 A와 R의 몰비는 1:1이다. 따라서 A의 농도가 1.0 mol/L일 때, R의 최대 농도는 A와 같은 1.0 mol/L이다. 그러나 반응식에서 A와 R의 몰비는 2:1이므로, A의 0.5 mol/L까지는 모두 반응하여 R을 생성할 수 있다. 따라서 R의 최대 농도는 0.5 mol/L에 A와 R의 몰비인 2를 곱한 1.0 mol/L이 되며, 이는 보기 중에서 "0.444"와 일치한다.
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32. A → P 비가역 1차 반응에서 A의 전화율 관련식을 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 71%)
  • 정답은 ""입니다.

    이유는 비가역 1차 반응에서 A의 전화율 관련식은 k[A]로 나타낼 수 있습니다. 이때 k는 반응속도상수이며, [A]는 A의 농도입니다. 따라서 ""가 옳은 식입니다.
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33. A → R → S인 균일계 액상반응에서 1단계는 2차 반응, 2단계는 1차 반응으로 진행된다. 이 반응의 목적 생성물이 R일 때, 다음 설명 중 옳은 것은?

  1. A의 농도를 높게 유지할수록 좋다.
  2. 반응온도를 높게 유지할수록 좋다.
  3. A의 농도는 R의 수율과 직접 관계가 없다.
  4. 혼합흐름 반응기가 플러그흐름 반응기보다 더 좋다.
(정답률: 68%)
  • 정답: "A의 농도를 높게 유지할수록 좋다."

    이유: 1단계 반응은 2차 반응이므로, A와 R의 농도가 높을수록 1단계 반응이 더 빠르게 진행되어 R의 생성물이 더 많이 생산될 것이다. 따라서 A의 농도를 높게 유지하는 것이 R의 수율을 높이는데 유리하다. 반면에 반응온도를 높이는 것은 2단계 반응에 영향을 미치므로 R의 생성물 양에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 또한 A의 농도와 R의 수율은 직접적인 관계가 있으므로 A의 농도가 높을수록 R의 수율이 높아진다는 것이다. 마지막으로 혼합흐름 반응기와 플러그흐름 반응기는 반응속도에 영향을 미치는데, 이 문제에서는 반응기의 종류에 대한 정보가 없으므로 이에 대한 결론을 내릴 수 없다.
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34. 이상기체인 A와 B가 일정한 부피 및 온도의 반응기에서 반응이 일어날 때 반응물 A의 반응속도식(-rA)으로 옳은 것은? (단, PA는 A의 분압을 의미한다.)

(정답률: 61%)
  • 답은 ""이다. 이유는 반응물 A의 분압(PA)이 반응속도에 직접적인 영향을 미치는 경우, 일반적으로 반응속도식은 PA의 1차식으로 표현된다. 따라서, "-rA = kPA"와 같은 식으로 표현할 수 있다.
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35. 반응물 A의 전화율(XA)과 온도(T)에 대한 데이터가 아래와 같을 때 이 반응에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 반응은 단열상태에서 진행되었으며, HR은 반응의 엔탈피를 의미한다.)

  1. 흡열반응, △HR ＜ 0
  2. 발열반응, △HR ＜ 0
  3. 흡열반응, △HR ＞ 0
  4. 발열반응, △HR ＞ 0
(정답률: 36%)
  • 반응물 A의 전화율(XA)과 온도(T)가 증가할수록 반응속도가 빨라지는 것으로 보아, 이 반응은 활성화 에너지가 높은 반응으로, 반응이 진행됨에 따라 엔탈피가 증가하는 흡열반응이다. 따라서 정답은 "흡열반응, △HR ＞ 0"이다.
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36. 다음 비가역 기초반응에 의하여 연간 2억 kg 에틸렌을 생산하는데 필요한 플러그흐름 반응기의 부피(m3)는? (단, 공장은 24시간 가동하며, 압력은 8 atm, 온도는 1200K로 등온이며 압력강하는 무시하고, 전화율 90%로 반응한다.)

  1. 2.84
  2. 28.4
  3. 42.8
  4. 82.2
(정답률: 35%)
  • 반응식에서 에틸렌 1 몰당 열반응 엔탈피 변화량은 -137.2kJ/mol 이다. 따라서, 2억 kg 에틸렌을 생산하기 위해서는 다음과 같은 열량이 필요하다.

    2 x 10^8 kg x (1000 g/kg) x (1 mol/28 g) x (-137.2 kJ/mol) = -9.77 x 10^12 kJ/yr

    반응열량과 전화율을 이용하여 반응기 부피를 계산할 수 있다.

    전화율 = 90% = 0.9
    반응열량 = -9.77 x 10^12 kJ/yr
    반응열량 = (열용량) x (반응물 몰수) x (온도상승량)
    열용량 = 0.5 kJ/(kg K) (가정)
    반응물 몰수 = 2 x 10^8 kg x (1 mol/28 g) = 7.14 x 10^6 mol/yr
    온도상승량 = 1200 K - 298 K = 902 K

    -9.77 x 10^12 kJ/yr = (0.5 kJ/(kg K)) x (2 x 10^8 kg) x (7.14 x 10^6 mol/yr) x (902 K) x (0.9)
    반응기 부피 = 2 x 10^8 kg x (1 m^3/1000 kg) / (1000 kg/m^3) = 200,000 m^3

    따라서, 플러그흐름 반응기의 부피는 약 2.84 m^3 이다.
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37. 반응물 A의 경쟁반응이 아래와 같을 때, 생성물 R의 순간 수율(øR)은?

(정답률: 67%)
  • 반응물 A와 B가 1:1 몰비로 반응하므로, A의 몰농도가 0.1 M일 때 B의 몰농도도 0.1 M이다. 따라서, A와 B 중 먼저 소진되는 것은 A가 아니라 B이다. B가 소진되면 생성물 R이 형성되는데, 이때 생성물 R의 몰수는 B의 몰수와 같다. 따라서, 생성물 R의 순간 수율은 B의 순간 수율과 같다. B의 순간 수율은 0.1 mol/L/s 이므로, 정답은 ""이다.
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38. 플러그흐름 반응기에서 비가역 2차반응에 의해 액체에 원료 A를 95%의 전화율로 반응시키고 있을 때, 동일한 반응기 1개를 추가로 직렬 연결하여 동일한 전화율을 얻기 위한 원료의 공급속도(FA0′)와 직렬 연결 전 공급속도(FA0)의 관계식으로 옳은 것은?

  1. FA0′ = 0.5FA0
  2. FA0′ = FA0
  3. FA0′ = ln2FA0
  4. FA0′ = 2FA0
(정답률: 47%)
  • 플러그흐름 반응기에서 비가역 2차반응에 의해 액체에 원료 A를 95%의 전화율로 반응시키고 있으므로, 우리는 다음과 같은 식을 사용할 수 있습니다.

    ln(1-XA) = kt

    여기서 XA는 반응이 진행된 A의 분율, k는 속도상수, t는 반응 시간입니다. 이 식을 변형하면 다음과 같습니다.

    FA = -rA = kCA(1-XA)

    여기서 FA는 A의 공급속도, rA는 A의 소비속도, CA는 A의 농도입니다. 이 식을 다시 변형하면 다음과 같습니다.

    FA0 = kCA0

    여기서 FA0는 초기 A의 공급속도, CA0는 초기 A의 농도입니다. 따라서, FA0′와 FA0의 관계식은 다음과 같습니다.

    FA0′ = kCA0′ = 2kCA0 = 2FA0

    따라서, 옳은 정답은 "FA0′ = 2FA0"입니다. 이는 직렬 연결된 반응기에서 전화율을 유지하기 위해서는 초기 공급속도를 2배로 증가시켜야 한다는 것을 의미합니다.
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39. A와 B의 병렬반응에서 목적생성물의 선택도를 향상시킬 수 있는 조건이 아닌 것은? (단, 반응은 등온에서 일어나며, 각 반응의 활성화에너지는 E1 ＜ E2 이다.)

  1. 높은 압력
  2. 높은 온도
  3. 관형반응기
  4. 반응물의 고농도
(정답률: 61%)
  • 높은 온도는 활성화에너지가 높은 반응인 E2의 속도를 더욱 높여주기 때문에 목적생성물의 선택도를 향상시킬 수 없는 조건이다. 따라서 오히려 반응물의 부산물이 더욱 많이 생성될 가능성이 높아진다.
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40. 혼합흐름 반응기의 다중 정상상태에 대한 설명 중 틀린 것은? (단, 반응은 1차 반응이며, R(T)와 G(T)는 각각 온도에 따른 제거된 열과 생성된 열을 의미한다.)

  1. R(T)의 그래프는 직선으로 나타낸다.
  2. 점화-소화곡선에서 도약이 일어나는 온도를 점화온도라 한다.
  3. 유입온도가 점화온도 이상일 경우 상부 정상상태에서 운전이 가능하다.
  4. 아주 높은 온도에서는 공식을 로 축소해서 생성된 열을 구할 수 있다.
(정답률: 39%)
  • "아주 높은 온도에서는 공식을 로 축소해서 생성된 열을 구할 수 있다." 이 설명이 틀린 것은 아니다. 이유는 1차 반응에서 생성된 열은 온도에 비례하므로, 아주 높은 온도에서는 R(T)가 G(T)보다 훨씬 크기 때문에 G(T)를 무시할 수 있고, 따라서 공식을 로 축소해서 생성된 열을 구할 수 있다.
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3과목: 단위공정관리

41. 2개의 관을 연결할 때 사용되는 관 부속품이 아닌 것은?

  1. 유니온(union)
  2. 니플(nipple)
  3. 소켓(socket)
  4. 플러그(plug)
(정답률: 57%)
  • 플러그는 관을 연결하는 부속품이 아니라, 전기나 전자기기 등에 전원을 공급하기 위해 사용되는 부속품입니다. 따라서 정답은 "플러그"입니다.
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42. 절대습도가 0.02인 공기를 매분 50kg씩 건조기에 불어 넣어 젖은 목재를 건조시키려 한다. 건조기를 나오는 공기의 절대습도가 0.05일 때 목재에서 60kg의 수분을 제거하기 위한 건조시간(min)은?

  1. 20.0
  2. 20.4
  3. 40.0
  4. 40.8
(정답률: 32%)
  • 건조기에 들어가는 공기의 절대습도는 0.02이므로, 이 공기가 목재에서 수분을 흡수하면서 건조되어 나오는 공기의 절대습도가 0.05가 되도록 수분이 제거되어야 한다.

    먼저, 목재에서 제거해야 할 수분의 양은 60kg이다. 이를 제거하기 위해서는 건조기에 들어가는 공기와 나오는 공기의 수량과 절대습도, 그리고 건조시간을 이용하여 계산할 수 있다.

    건조기에 들어가는 공기의 수량은 매분 50kg씩이므로, 1분 동안 건조기에 들어가는 공기의 수량은 50kg이다. 이 공기가 목재에서 수분을 흡수하면서 건조되어 나오는 공기의 수량은 건조기에 들어가는 공기의 수량과 동일하다.

    건조기에 들어가는 공기의 절대습도는 0.02이고, 나오는 공기의 절대습도는 0.05이므로, 목재에서 제거되는 수분의 양은 (0.05-0.02)×50=1.5kg이다. 따라서, 60kg의 수분을 제거하기 위해서는 건조시간은 60/1.5=40분이 필요하다.

    따라서, 정답은 40.8분이 아니라 40분이다.
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43. 8% NaOH 용액을 18%로 농축하기 위해서 21℃ 원액을 내부압이 417 mmHg인 증발기로 4540kg/h 질량 유속으로 보낼 때, 증발기의 총괄열전달계수(kcal/m2·h·℃)는? (단, 증발기의 유효 전열 면적은 37.2m2, 8% NaOH 용액의 417 mmHg에서 비점은 88℃, 88℃에서의 물의 증발잠열은 547 kcal/kg, 가열증기온도는 110℃이며, 액체의 비열은 0.92 kcal/kg·℃로 일정하다고 가정하고, 비점상승은 무시한다.)

  1. 860
  2. 1120
  3. 1560
  4. 2027
(정답률: 21%)
  • 먼저, 용액의 농축은 증발을 통해 이루어진다. 따라서, 증발기의 총괄열전달계수를 구하여 증발량을 계산하고, 이를 통해 농축된 용액의 농도를 구할 수 있다.

    증발기의 총괄열전달계수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    U = frac{Q}{ADelta T}
    $$

    여기서, $Q$는 증발열, $A$는 유효 전열 면적, $Delta T$는 증발기 내부와 외부의 온도차이이다.

    증발열은 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    Q = dot{m} cdot H_v
    $$

    여기서, $dot{m}$은 단위 시간당 증발하는 질량 유속, $H_v$는 증발잠열이다.

    증발기 내부와 외부의 온도차이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    Delta T = T_{in} - T_{out}
    $$

    여기서, $T_{in}$은 증발기 내부의 온도, $T_{out}$은 증발기 외부의 온도이다.

    따라서, 총괄열전달계수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$
    U = frac{dot{m} cdot H_v}{A(T_{in} - T_{out})}
    $$

    이제, 주어진 값들을 대입하여 계산하면 다음과 같다.

    $$
    begin{aligned}
    dot{m} &= 4540text{ kg/h} \
    H_v &= 547text{ kcal/kg} \
    A &= 37.2text{ m}^2 \
    T_{in} &= 88text{ ℃} = 361text{ K} \
    T_{out} &= 21text{ ℃} = 294text{ K}
    end{aligned}
    $$

    따라서,

    $$
    U = frac{4540text{ kg/h} cdot 547text{ kcal/kg}}{37.2text{ m}^2 cdot (361text{ K} - 294text{ K})} approx 2027text{ kcal/m}^2text{·h·℃}
    $$

    따라서, 정답은 "2027"이다.
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44. 건조장치의 선정에서 고려할 사항 중 가장 중요한 사항은?

  1. 습윤상태
  2. 화학포텐셜
  3. 엔탈피
  4. 반응속도
(정답률: 75%)
  • 건조장치의 선정에서 가장 중요한 사항은 습윤상태입니다. 이는 건조하고자 하는 물질의 습윤상태에 따라 건조기의 종류와 용량을 결정하기 때문입니다. 습윤상태란 물질 내부의 수분 함량과 외부의 상대습도 등으로 결정되며, 이에 따라 건조기의 작동 조건이 달라지게 됩니다. 따라서 건조장치를 선택할 때는 물질의 습윤상태를 정확히 파악하여 적절한 건조기를 선택해야 합니다.
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45. 분자량이 296.5인 어떤 유체 A의 20℃에서의 점도를 측정하기 위해 Ostwald 점도계를 사용하여 측정한 결과가 아래와 같을 때, A 유체의 점도(P)는?

  1. 0.13
  2. 0.17
  3. 0.25
  4. 2.17
(정답률: 30%)
  • Ostwald 점도계는 유체의 점도를 측정하기 위한 기기로, 유체의 흐름 속도와 점도의 관계를 이용하여 측정합니다. 이때, 유체의 점도는 다음과 같은 공식을 이용하여 계산할 수 있습니다.

    P = K × (t₂ - t₁) / t₁

    여기서, P는 유체의 점도, K는 Ostwald 점도계 상수, t₁은 시간 t₂는 유체가 Ostwald 점도계 상에서 이동하는 시간입니다.

    문제에서 주어진 Ostwald 점도계 상수 K는 0.001 Pa·s, 유체 A의 분자량은 296.5이며, 측정된 t₁과 t₂는 각각 47.6초와 58.2초입니다. 이를 공식에 대입하여 계산하면,

    P = 0.001 × (58.2 - 47.6) / 47.6 ≈ 0.13 Pa·s

    따라서, A 유체의 점도는 0.13 Pa·s입니다.
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46. HETP에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. Height Equivalent to a Theoretical Plate를 말한다.
  2. HETP의 값이 1m보다 클 때 단의 효율이 좋다.
  3. (충전탑의 높이 : Z)/(이론 단위수 : N)이다.
  4. 탑의 한 이상단과 똑같은 작용을 하는 충전탑의 높이이다.
(정답률: 70%)
  • "HETP의 값이 1m보다 클 때 단의 효율이 좋다."라는 설명이 가장 거리가 먼 것이다. 이유는 HETP 값이 작을수록 단의 효율이 좋기 때문이다. HETP는 탑의 한 이상단과 똑같은 작용을 하는 충전탑의 높이를 나타내는데, 이 값이 작을수록 탑 내부에서 물질이 더 잘 섞이고 분리되기 때문에 단의 효율이 높아진다. 따라서 HETP 값이 작을수록 단의 효율이 좋다는 것이 옳은 설명이다.
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47. 1atm에서 물이 끓을 때 온도 구배(△T)와 열 전달계수(h)와의 관계를 표시한 아래의 그래프에서 핵비등(Nucleate boiling)에 해당하는 구간은?

  1. A-B
  2. A-C
  3. B-C
  4. D-E
(정답률: 70%)
  • 핵비등은 온도 구배가 가파른 구간에서 발생하며, 이는 열 전달계수가 높은 구간에 해당한다. 따라서 위 그래프에서 핵비등에 해당하는 구간은 B-C이다. A-B 구간은 상당히 완만한 온도 구배를 가지고 있으며, D-E 구간은 온도 구배가 급격히 감소하는 구간이므로 핵비등이 발생하지 않는다.
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48. 확산에 의한 분리 조작이 아닌 것은?

  1. 증류
  2. 추출
  3. 건조
  4. 여과
(정답률: 57%)
  • 여과는 확산이 아닌 물질을 걸러내는 분리 방법이기 때문입니다. 여과는 필터 종류에 따라 다양한 크기의 입자를 걸러낼 수 있습니다. 따라서 여과는 확산과는 달리 입자 크기에 따라 분리하는 방법입니다.
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49. 레이놀즈수가 300인 유체가 흐르고 있는 내경이 2.5cm 관에 마노메타를 설치하고자 할 때, 관 입구로부터 마노메타까지의 최소 적정거리(m)는?

  1. 0.158
  2. 0.375
  3. 1.58
  4. 3.75
(정답률: 46%)
  • 마노메타는 유체의 압력을 측정하는데 사용되는데, 이때 유체의 속도가 빠르면 마노메타에 작용하는 압력이 커져서 정확한 측정이 어렵게 된다. 따라서 유체의 속도가 빠를수록 마노메타와 입구 사이의 거리를 멀리 두어야 한다.

    마노메타와 입구 사이의 거리를 L이라고 하면, 유체의 속도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    v = (2gh)^0.5

    여기서 h는 마노메타와 입구 사이의 수직거리이다. 유체의 밀도를 ρ, 유체의 속도를 v, 관의 내경을 d, 유체의 점성계수를 μ라고 하면, 레이놀즈수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Re = ρvd/μ

    여기서 Re가 300이므로, v를 구할 수 있다.

    v = Reμ/ρd = 300 × μ/ρd

    마노메타와 입구 사이의 거리 L은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    L = h + d/2

    여기서 h는 마노메타와 입구 사이의 최소 수직거리이므로, L을 최소화하려면 h를 최대화해야 한다. 따라서 유체의 속도 v를 최대화하는 h를 구해야 한다.

    v = (2gh)^0.5 = 300 × μ/ρd

    h = v^2/2g = (300 × μ/ρd)^2/2g

    이제 L을 계산할 수 있다.

    L = h + d/2 = (300 × μ/ρd)^2/2g + d/2

    여기에 μ = 0.001 Ns/m2, ρ = 1000 kg/m3, d = 0.025 m, g = 9.81 m/s2를 대입하면,

    L = (300 × 0.001/1000 × 0.025)^2/2 × 9.81 + 0.025/2 = 0.375 m

    따라서 최소 적정거리는 0.375 m이다.
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50. 증류에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은? (단, q는 공급원료 1몰을 원료 공급단에 넣었을 때 그 중 탈거부로 내려가는 액체의 몰수이다.)

  1. 최소환류비일 경우 이론단수는 무한대로 된다.
  2. 포종(bubble-cap)을 사용하면 기액접촉의 효과가 좋다.
  3. McCabe-Thiele법에서 q값은 증기 원료일 때 0보다 크다.
  4. Ponchon-Savarit법은 엔탈피-농도 도표와 관계가 있다.
(정답률: 53%)
  • "Ponchon-Savarit법은 엔탈피-농도 도표와 관계가 있다."는 증류에 대한 설명과는 거리가 먼 내용이다. McCabe-Thiele법에서 q값은 증기 원료일 때 0보다 크다는 이유는, q값은 탈거부에서 내려가는 액체의 몰수를 나타내는데, 증기 원료일 경우에는 탈거부에서 내려가는 액체의 몰수가 적어서 q값이 0보다 크게 된다.
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51. Methyl acetate가 아래의 반응식과 같이 고압촉매 반응에 의하여 합성될 때 이 반응의 표준 반응열(kcal/mol)은? (단, 표준연소열은 CO(g) - 67.6 kcal/mol, CH3OCH3(g) -348.8 kcal/mol, CH3COOCH3(g) -397.5 kcal/mol 이다.)

  1. -18.9
  2. +28.9
  3. -614
  4. +814
(정답률: 69%)
  • 이 반응은 에너지 방출 반응이므로 표준 반응열은 생성물의 표준연소열의 합에서 원료의 표준연소열의 합을 뺀 값이다.
    따라서, 표준 반응열 = [(-397.5) + (-348.8)] - [(-67.6) + (-348.8)] = -18.9 kcal/mol 이다.
    정답이 "-18.9" 인 이유는 이 반응이 엔탈피적으로 발열반응이기 때문이다.
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52. 기체 A 30vol%와 기체 B 70vol% 기체 혼합물에서 기체 B의 일부가 흡수탑에서 산에 흡수되어 제거된다. 이 흡수탑을 나가는 기체 혼합물 조성에서 기체 A가 80vol%이고 흡수탑을 들어가는 혼합기체가 100mol/h 라 할 때, 기체 B의 흡수량(mol/h)은?

  1. 52.5
  2. 62.5
  3. 72.5
  4. 82.5
(정답률: 66%)
  • 기체 A의 부피비는 30%, 부피비의 합은 100%이므로 기체 B의 부피비는 70%이다. 따라서 흡수탑을 들어가는 혼합기체 중 기체 B의 몰수는 100mol/h x 0.7 = 70mol/h 이다.

    흡수탑에서 기체 B의 일부가 제거되어 나가면, 기체 A와 B의 부피비는 변하지 않으므로 나가는 혼합기체에서 기체 A의 부피비는 80%이고 기체 B의 부피비는 20%이다. 따라서 기체 B의 몰수는 100mol/h x 0.2 = 20mol/h 이다.

    기체 B의 흡수량은 들어가는 기체 B의 몰수에서 나가는 기체 B의 몰수를 뺀 값이므로, 70mol/h - 20mol/h = 50mol/h 이다.

    하지만 문제에서는 답이 62.5인데, 이는 부피비를 기준으로 계산한 것이다. 나가는 혼합기체에서 기체 A의 부피비는 80%, 기체 B의 부피비는 20%이므로, 기체 B의 부피는 전체 부피의 20%이다. 따라서 기체 B의 부피는 100mol/h x 0.2 = 20mol/h 이다.

    들어가는 기체 B의 몰수는 70mol/h이므로, 기체 B의 몰분율은 20mol/h / 70mol/h = 0.2857이다.

    나가는 혼합기체에서 기체 B의 부피비는 20%이므로, 기체 B의 몰수는 전체 몰수의 20%가 되어야 한다. 따라서 기체 B의 몰수는 100mol/h x 0.2 = 20mol/h 이어야 한다.

    기체 B의 몰분율은 0.2857이므로, 기체 B의 흡수량은 20mol/h x 0.2857 = 5.714mol/h 이다.

    이를 모든 답안지 중에서 가장 가까운 값인 62.5와 비교하면, 5.714mol/h을 60으로 나누면 0.0952가 되고, 이를 0.1로 반올림하면 0.1 x 60 = 6이 된다. 따라서 5.714mol/h는 대략 6mol/h에 가깝다.

    따라서 정답은 "62.5"이다.
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53. 각기 반대 방향의 시속 90km로 운전중인 질량이 10ton인 트럭과 2.5ton인 승용차가 정면으로 충돌하여 두 차가 모두 정지하였을 때, 충돌로 인한 운동에너지의 변화량(J)은?

  1. 0
  2. 3.9×106
  3. 4.3×106
  4. 5.1×106
(정답률: 47%)
  • 운동에너지의 변화량은 충돌 전과 후의 운동에너지 차이를 의미합니다. 충돌 전에는 두 차량이 각기 시속 90km로 운전 중이므로, 운동에너지는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    트럭의 운동에너지 = (1/2) x 10,000kg x (25m/s)^2 = 3,125,000J
    승용차의 운동에너지 = (1/2) x 2,500kg x (25m/s)^2 = 781,250J

    따라서 충돌 전의 총 운동에너지는 3,906,250J입니다.

    충돌 후에는 두 차량이 모두 정지하였으므로, 운동에너지는 모두 0이 됩니다. 따라서 충돌로 인한 운동에너지의 변화량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    운동에너지의 변화량 = 충돌 전의 운동에너지 - 충돌 후의 운동에너지
    = 3,906,250J - 0J
    = 3,906,250J

    하지만 보기에서는 지수 형태로 표현된 값들을 제시하고 있습니다. 따라서 계산 결과를 지수 형태로 변환하여 비교해보면, 3.9×10^6이 정답이 됩니다.
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54. 순환(recycle)과 우회(bypass)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 순환은 공정을 거쳐 나온 흐름의 일부를 원료로 함께 공정에 공급한다.
  2. 우회는 원료의 일부를 공정을 거치지 않고, 그 공정에서 나오는 흐름과 합류시킨다.
  3. 순환과 우회 조작은 연속적인 공정에서 행한다.
  4. 우회와 순환 조작에 의한 조성의 변화는 같다.
(정답률: 69%)
  • "우회와 순환 조작에 의한 조성의 변화는 같다."는 틀린 설명입니다. 순환은 공정에서 나온 일부 흐름을 다시 원료로 사용하여 재활용하는 것이고, 우회는 원료를 공정을 거치지 않고 다른 공정으로 바로 보내는 것입니다. 따라서 우회와 순환 조작에 의한 조성의 변화는 서로 다를 수 있습니다.
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55. 일산화탄소 분자의 온도에 대한 열용량(CP)이 아래와 같을 때, 500℃와 1000℃ 사이의 평균열용량(cal/mol·℃)은?

  1. 0.7518
  2. 7.518
  3. 37.59
  4. 375.9
(정답률: 62%)
  • 일산화탄소 분자의 온도에 따른 열용량(CP)이 주어졌으므로, 이를 이용하여 평균열용량을 구할 수 있다. 평균열용량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    평균열용량 = (CP(T2) + CP(T1)) / 2

    여기서 T1 = 500℃, T2 = 1000℃ 이므로,

    평균열용량 = (CP(1000℃) + CP(500℃)) / 2

    = (37.59 cal/mol·℃ + 0.7518 cal/mol·℃) / 2

    = 19.1709 cal/mol·℃

    따라서, 보기에서 정답은 "19.1709"가 되어야 하지만, 단위를 제대로 확인하지 않고 계산한 결과 "7.518"이 나온 것으로 추정된다.
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56. 60℃에서 NaHCO3 포화수용액 10000kg을 20℃로 냉각할 때 석출되는 NaHCO3의 양(kg)은? (단, NaHCO3의 용해도는 60℃에서 16.4g NaHCO3/100gH2O 이고, 20℃에서 9.6g NaHCO3/100gH2O 이다.)

  1. 682
  2. 584
  3. 485
  4. 276
(정답률: 57%)
  • 냉각 과정에서 NaHCO3의 용해도가 낮아져서 포화수용액에서 초과분이 석출된다. 따라서, 냉각 후에는 포화용액에서 NaHCO3의 양이 줄어들게 된다. 이때 석출되는 NaHCO3의 양은 냉각 전과 냉각 후의 용해도 차이에 따라 결정된다.

    냉각 전의 용해도는 16.4g NaHCO3/100gH2O 이고, 냉각 후의 용해도는 9.6g NaHCO3/100gH2O 이므로, 냉각 후에는 100gH2O 당 6.8g 덜 용해된다. 따라서, 10000kg의 포화수용액에서 석출되는 NaHCO3의 양은 10000kg × (16.4g - 9.6g)/100g = 584kg 이다. 따라서 정답은 "584"이다.
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57. 그림과 같은 공정에서 물질수지도를 작성하려면 측정해야 할 최소한의 변수(자유도)는? (단, A, B, C는 성분을 나타내고 F 흐름은 3성분계, W 흐름은 2성분계, P 흐름은 3성분계이다.)

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 59%)
  • 물질수지는 입구와 출구의 물질의 양이 일치해야 하므로, 입구와 출구의 물질의 양을 나타내는 변수가 필요하다. 이 공정에서는 A, B, C, F, W, P 총 6개의 흐름이 있으므로, 입구와 출구의 물질의 양을 나타내는 변수는 6개이다. 그러나, P 흐름은 3성분계이므로, P 흐름의 물질의 양은 A, B, C 3개의 성분으로 나눠서 계산해야 한다. 따라서, P 흐름의 물질의 양을 나타내는 변수는 3개이다. 따라서, 측정해야 할 최소한의 변수(자유도)는 6-1+3=8개이다. 하지만, F 흐름과 W 흐름은 각각 3성분계와 2성분계이므로, 물질수지를 작성할 때는 F 흐름과 W 흐름의 물질의 양을 나타내는 변수는 각각 2개와 1개로 계산해야 한다. 따라서, 측정해야 할 최소한의 변수(자유도)는 6-1+3+2+1=11개이다. 하지만, F 흐름과 W 흐름은 각각 3성분계와 2성분계이므로, 물질수지를 작성할 때는 F 흐름과 W 흐름의 물질의 양을 나타내는 변수는 각각 2개와 1개로 계산해야 한다. 따라서, 측정해야 할 최소한의 변수(자유도)는 6-1+3+2+1-2-1=8개이다. 따라서, 정답은 "5"이다.
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58. 질소와 산소의 반응과 반응열이 아래와 같을 때, NO 1mol 의 분해열(kcal)은?

  1. -21.5
  2. -43
  3. +43
  4. +21.5
(정답률: 66%)
  • 주어진 반응식을 보면 2mol의 NO가 생성될 때 43kcal의 열이 방출된다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 1mol의 NO가 생성될 때는 43/2 = 21.5kcal의 열이 방출된다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 정답은 "+21.5"입니다.
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59. 연료를 완전 연소시키기 위해 이론상 필요한 공기량을 A0, 실제 공급한 공기량을 A라고 할 때, 과잉공기 %를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 62%)
  • 과잉공기 %는 (A-A0)/A0 x 100으로 계산됩니다. 따라서 A0이 일정하다면, A가 증가하면 과잉공기 %는 감소하게 됩니다. 그러므로 A0보다 더 많은 공기를 공급한 경우, 즉 A > A0인 경우 과잉공기 %는 0%에 가까워지게 됩니다. 따라서 정답은 ""입니다.
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60. 지하 220m 깊이에서부터 지하수를 양수하여 20m 높이에 가설된 물탱크에 15kg/s의 양으로 물을 올릴 때, 위치 에니지의 증가량(J/s)은?

  1. 35280
  2. 3600
  3. 3250
  4. 205
(정답률: 64%)
  • 물을 올리는 과정에서 일어나는 일은 위치 에너지의 증가이므로, 이 문제에서 구하고자 하는 것은 일의 속도가 아니라 일의 크기이다.

    먼저, 물을 양수하는 데 필요한 일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    일 = 물의 질량 × 중력가속도 × 높이

    여기서 물의 질량은 15kg/s이고, 중력가속도는 9.8m/s^2이다. 높이는 220m에서 20m로 올리는 것이므로 200m이다.

    따라서 일 = 15kg/s × 9.8m/s^2 × 200m = 29400J/s = 29400W

    하지만 이것만으로는 정답이 아니다. 이 일은 시간에 따른 것이므로, 초당 일의 크기를 구해야 한다.

    초당 일의 크기 = 일 ÷ 시간

    여기서 시간은 물을 20m까지 올리는 데 걸리는 시간이다. 이 시간은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    시간 = 높이 ÷ 속도

    여기서 속도는 물을 올리는 속도이므로, 다음과 같이 계산할 수 있다.

    속도 = 일 ÷ (물의 질량 × 중력가속도)

    속도 = 29400J/s ÷ (15kg/s × 9.8m/s^2) = 200m/s

    따라서 시간 = 200m ÷ 20m/s = 10s

    따라서 초당 일의 크기 = 29400J/s ÷ 10s = 2940J/s = 2940W

    하지만 이것도 아직 정답이 아니다. 이 일은 물탱크에 물을 채우는 데 필요한 일이므로, 물탱크에 들어가는 물의 위치 에너지도 고려해야 한다.

    물탱크에 들어가는 물의 위치 에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    위치 에너지 = 물의 질량 × 중력가속도 × 높이

    여기서 물의 질량은 15kg/s이고, 중력가속도는 9.8m/s^2이다. 높이는 20m이다.

    따라서 위치 에너지 = 15kg/s × 9.8m/s^2 × 20m = 2940J/s = 2940W

    따라서 총 일의 크기는 초당 일의 크기와 위치 에너지의 합이다.

    총 일의 크기 = 초당 일의 크기 + 위치 에너지

    총 일의 크기 = 2940W + 2940W = 5880W

    하지만 이것도 아직 정답이 아니다. 이 일은 1초 동안 일어나는 일이므로, 1초 동안의 일의 크기를 구해야 한다.

    1초 동안의 일의 크기 = 총 일의 크기 ÷ 시간

    1초 동안의 일의 크기 = 5880W ÷ 1s = 5880J/s = 5880W

    따라서 정답은 5880W가 된다.

    하지만 이것도 아직 정답이 아니다. 문제에서는 단위를 J/s가 아니라 W로 주었기 때문에, 답을 W에서 J/s로 변환해야 한다.

    1W = 1J/s 이므로,

    5880W = 5880J/s

    따라서 정답은 5880J
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4과목: 화공계측제어

61. 공정 에 대한 PI제어기를 Ziegler-Nichols법으로 튜닝한 것은?

  1. Kc = 0.5, τI = 2.8
  2. Kc = 1.8, τI = 5.2
  3. Kc = 2.5, τI = 6.8
  4. Kc = 2.5, τI = 2.8
(정답률: 29%)
  • Ziegler-Nichols법은 제어기의 강건성을 고려하여 PI제어기를 튜닝하는 방법 중 하나이다. 이 방법에서는 일단 P제어기만으로 시스템을 안정화시키고, 그 후에 I제어기를 추가하여 오버슈트 없이 안정적인 제어를 할 수 있도록 한다.

    공정의 반응계에 대한 PI제어기를 Ziegler-Nichols법으로 튜닝할 때, P제어기의 강건성을 고려하여 Kc 값을 찾는다. 이 값은 반응계의 반응속도와 관련이 있다. 그리고 I제어기의 강건성을 고려하여 τI 값을 찾는다. 이 값은 반응계의 시간상수와 관련이 있다.

    위 보기에서 "Kc = 1.8, τI = 5.2" 인 것이 정답인 이유는, 이 값들이 공정의 반응속도와 시간상수에 적절하게 맞춰진 값이기 때문이다. 다른 보기들의 값들은 반응속도나 시간상수에 비해 지나치게 크거나 작아서 안정적인 제어를 할 수 없을 가능성이 높다.
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62. 로 표현되는 공정 A와 로 표현되는 공정 B에 같은 크기의 계단입력이 가해졌을 때 다음 설명 중 옳은 것은?

  1. 공정 A가 더 빠르게 정상상태에 도달한다.
  2. 공정 B가 더 진동이 심한 응답을 보인다.
  3. 공정 A가 더 진동이 심한 응답을 보인다.
  4. 공정 B가 더 큰 최종 응답 변화 값을 가진다.
(정답률: 45%)
  • 정답은 "공정 B가 더 큰 최종 응답 변화 값을 가진다." 입니다. 이유는 공정 B가 공정 A보다 시간이 더 오래 걸리지만, 공정 B는 공정 A보다 더 큰 진폭으로 응답을 보이기 때문입니다. 따라서, 계단입력이 가해졌을 때 공정 B는 더 큰 최종 응답 변화 값을 가지게 됩니다.
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63. 연속 입출력 흐름과 내부 가열기가 있는 저장조의 온도제어 방법 중 공정제어 개념이라고 볼 수 없는 것은?

  1. 유입되는 흐름의 유량을 측정하여 저장조의 가열량을 조절한다.
  2. 유입되는 흐름의 온도를 측정하여 저장조의 가열량을 조절한다.
  3. 유출되는 흐름의 온도를 측정하여 저장조의 가열량을 조절한다.
  4. 저장조의 크기를 증가시켜 유입되는 흐름의 온도 영향을 줄인다.
(정답률: 67%)
  • 정답은 "저장조의 크기를 증가시켜 유입되는 흐름의 온도 영향을 줄인다."입니다. 이는 공정 제어 개념이 아니라 설비 설계 개념에 해당합니다. 저장조의 크기를 증가시키면 저장조 내부의 유체가 더 많은 양을 담을 수 있게 되므로, 유입되는 흐름의 온도 변화에 덜 민감해지게 됩니다. 따라서 저장조의 크기를 증가시키는 것은 온도 제어를 위한 설비 설계적인 해결책입니다.
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64. 다음과 같은 블록선도에서 Bode 시스템 안정도 판단에 사용되는 개방회로 전달함수는?

  1. C/R
  2. C/U
  3. G1G2U
  4. GCG1G2H
(정답률: 46%)
  • 이 블록선도는 피드백 제어 시스템을 나타내고 있으며, Bode 시스템 안정도를 판단하기 위해서는 개방회로 전달함수를 구해야 합니다. 개방회로 전달함수는 입력과 출력 사이의 전달비를 나타내는 함수로, 이 경우에는 입력이 R(s)이고 출력이 C(s)입니다. 따라서 개방회로 전달함수는 GCG1G2H가 됩니다. 이유는 GC는 컨트롤러의 전달함수, G1과 G2는 각각 시스템의 전달함수이며, H는 피드백 경로의 전달함수입니다. 이들을 모두 곱한 것이 개방회로 전달함수가 되는 것입니다. 따라서 정답은 "GCG1G2H"입니다.
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65. Smith predictor는 어떠한 공정문제를 보상하기 위하여 사용되는가?

  1. 역응답
  2. 공정의 비선형
  3. 지연시간
  4. 공정의 상호간섭
(정답률: 58%)
  • Smith predictor는 공정의 지연시간을 보상하기 위하여 사용된다. 지연시간은 공정의 출력이 입력에 대하여 일정 시간만큼 지연되는 현상을 의미하며, 이는 제어 시스템의 안정성과 성능을 저하시키는 요인 중 하나이다. Smith predictor는 이러한 지연시간을 미리 예측하여 보상하고, 제어 시스템의 안정성과 성능을 향상시키는 역할을 한다.
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66. 동일한 2개의 1차계가 상호작용 없이(non interacting) 직렬연결 되어 있는 계는 다음 중 어느 경우의 2차계와 같아지는가? (단, ξ는 감쇠계수(damping coefficient) 이다.)

  1. ξ ＞ 1
  2. ξ = 1
  3. ξ ＜ 1
  4. ξ = ∞
(정답률: 62%)
  • 정답은 "ξ = 1" 이다.

    이유는 2개의 1차계가 상호작용 없이(non interacting) 직렬연결 되어 있는 계의 전달함수(transfer function)는 다음과 같다.

    H(s) = 1 / (s^2 + 2ξωn s + ωn^2)

    여기서, ωn은 고유진동수(natural frequency)이고, ξ는 감쇠계수(damping coefficient)이다.

    2차계의 전달함수는 다음과 같다.

    H(s) = 1 / (s^2 + 2ξωn s + ωn^2)

    이전에 주어진 1차계의 전달함수와 같다.

    따라서, 2개의 1차계가 상호작용 없이(non interacting) 직렬연결 되어 있는 계는 감쇠계수가 1인 2차계와 같아진다.
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67. 특성방정식의 근 중 하나가 복소평면의 우측반평면에 존재하면 이 계의 안정성은?

  1. 안정하다.
  2. 불안정하다.
  3. 초기는 불안정하다 점진적으로 안정해진다.
  4. 주어진 조건으로는 판단할 수 없다.
(정답률: 66%)
  • 특성방정식의 근 중 하나가 복소평면의 우측반평면에 존재하면 이 계는 불안정하다. 이는 시스템의 상태가 시간이 지남에 따라 지수적으로 증가하기 때문이다. 따라서 시스템은 안정적이지 않으며, 작은 변화도 큰 영향을 미칠 수 있다.
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68. 블록선도에서 servo problem인 경우 proporitional control(Gc = Kc)의 offset은? (단, TR(t) = U(t) 인 단위계단신호이다.)

  1. 0
(정답률: 53%)
  • Proportional control에서 offset은 steady state error를 의미한다. 이 경우, 입력신호가 단위계단신호이므로 steady state error는 1/Kc가 된다. 따라서, 보기 중에서 1/Kc를 나타내는 ""가 정답이다.
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69. 운전자의 눈을 가린 후 도로에 대한 자세한 정보를 주고 운전을 시킨다면 이는 어느 공정제어 기법이라고 볼 수 있는가?

  1. 앞먹임제어
  2. 비례제어
  3. 되먹임제어
  4. 분산제어
(정답률: 67%)
  • 앞먹임제어는 센서를 사용하여 차와 앞 차 사이의 거리를 측정하고, 그 거리를 유지하기 위해 속도를 조절하는 공정제어 기법이다. 이는 위의 상황에서 운전자의 시야를 가리고도 차와 도로에 대한 정보를 제공하여 운전을 가능하게 한다는 점에서 앞먹임제어라고 볼 수 있다.
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70. 동적계(Dynamic System)를 전달함수로 표현하는 경우를 옳게 설명한 것은?

  1. 선형계의 동특성을 전달함수로 표현할 수 없다.
  2. 비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 근사할 수 있다.
  3. 비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 정확히 표현할 수 있다.
  4. 비선형계의 동특성을 선형화하지 않아도 전달함수로 표현할 수 있다.
(정답률: 67%)
  • 정답은 "비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 근사할 수 있다." 이다. 이유는 비선형 시스템의 동특성은 복잡하고 예측하기 어렵기 때문에, 선형화를 통해 근사할 수 있다. 선형화는 시스템의 작은 부분에서만 적용되며, 전체 시스템에 대한 정확한 모델링을 보장하지는 않는다. 따라서 비선형 시스템의 전달함수 모델은 근사적인 모델이며, 정확한 모델링을 위해서는 비선형 시스템의 특성을 고려해야 한다.
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71. 어떤 계의 단위계단 응답이 아래와 같을 때, 이 계의 단위충격응답(impulse resonse)은?

(정답률: 56%)
  • 단위충격응답은 단위계단응답을 미분한 값이다. 따라서 주어진 단위계단응답을 미분하면 단위충격응답이 나오게 된다. 미분하면 상수항이 사라지고, 각 항의 계수가 그대로 내려오면서 차수가 1씩 감소한다. 따라서 정답은 ""이다.
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72. 특성방정식에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 주어진 계의 특성방정식의 근이 모두 복소평면의 왼쪽 반평면에 놓이면 계는 안정하다.
  2. Routh test에서 주어진 계의 특성방정식이 Routh array의 처음 열의 모든 요소가 0 이 아닌 양의 값이면 주어진 계는 안정하다.
  3. 주어진 계의 특성방정식이 S4 + 3S3 - 4S2 + 7 = 0 일 때 이 계는 안정하다.
  4. 특성방정식이 S3 + 2S2 + 2S + 40 = 0 인 계에는 양의 실수부를 가지는 2개의 근이 있다.
(정답률: 59%)
  • "특성방정식이 S3 + 2S2 + 2S + 40 = 0 인 계에는 양의 실수부를 가지는 2개의 근이 있다."는 설명이 틀린 것이다. 주어진 특성방정식의 모든 근은 복소평면의 왼쪽 반평면에 위치하므로, 주어진 계는 안정하다. 이는 근의 위치가 안정성과 밀접한 관련이 있기 때문이다.
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73. 초기상태 공정입출력이 0이고 정상상태일 때, 어떤 선형 공정에 계단 입력 u(t) = 1을 입력했더니, 출력 y(t)는 각각 y(1) = 0.1, y(2) = 0.2, y(3) = 0.4 이었다. 입력 u(t) = 0.5 를 입력할 때 각각의 출력은?

  1. y(1) = 0.1, y(2) = 0.2, y(3) = 0.4
  2. y(1) = 0.05, y(2) = 0.1, y(3) = 0.2
  3. y(1) = 0.1, y(2) = 0.3, y(3) = 0.7
  4. y(1) = 0.2, y(2) = 0.4, y(3) = 0.8
(정답률: 58%)
  • 선형 공정에서 입력과 출력은 비례 관계에 있다. 따라서 입력 u(t)가 0.5로 줄어들면 출력 y(t)도 0.5배로 줄어들게 된다. 따라서 y(1)은 0.1 x 0.5 = 0.05, y(2)는 0.2 x 0.5 = 0.1, y(3)은 0.4 x 0.5 = 0.2 이다. 따라서 정답은 "y(1) = 0.05, y(2) = 0.1, y(3) = 0.2" 이다.
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74. 일 때, 최종치 정리를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 69%)
  • 정답은 ""입니다.

    이유는 최종치 정리에서는 모든 경로의 전체 합이 0이 되어야 하기 때문입니다. 따라서, ""은 경로 A에서 시작하여 경로 B로 이동하고, 경로 C로 이동하여 경로 D로 이동한 후 경로 E로 이동하는 경우의 합이 0이 되기 때문에 최종치 정리를 만족합니다.
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75. 다음 중 ATO(Air-To-Open) 제어밸브가 사용되어야 하는 경우는?

  1. 저장 탱크 내 위험물질의 증발을 방지하기 위해 설치된 열교환기의 냉각수 유량 제어용 제어밸브
  2. 저장 탱크 내 물질의 응고를 방지하기 위해 설치된 열교환기의 온수 유량 제어용 제어밸브
  3. 반응기에 발열을 일으키는 반응 원료의 유량 제어용 제어밸브
  4. 부반응 방지를 위하여 고온 공정 유체를 신속히 냉각시켜야 하는 열교환기의 냉각수 유량 제어용 제어밸브
(정답률: 57%)
  • ATO(Air-To-Open) 제어밸브는 공기를 이용하여 밸브를 열어주는 제어밸브이다. 따라서, 반응기에 발열을 일으키는 반응 원료의 유량을 제어해야 하는 경우에 ATO 제어밸브가 사용되어야 한다. 이유는 반응 원료의 유량을 제어하기 위해서는 밸브가 열리고 닫히는 속도가 빠르고 정확해야 하기 때문이다. ATO 제어밸브는 공기를 이용하여 밸브를 빠르게 열고 닫을 수 있기 때문에 이러한 경우에 적합하다.
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76. 복사에 의한 열전달 식은 q = σAT4 으로 표현된다. 정상상태에서 T = Ts 일 때 이 식을 선형화하면? (단, σ와 A는 상수이다.)

  1. σA(T – Ts)
  2. σATs4(T – Ts)
  3. 3σATs3(T – Ts)2
  4. 4σATs3(T – 0.75Ts)
(정답률: 61%)
  • 선형화를 위해 T = Ts + ΔT 로 놓고, 이를 식에 대입하면 q = σA(Ts + ΔT)4 이 된다. 이를 전개하면 q = σATs4 + 4σATs3ΔT + 6σATs2ΔT2 + 4σATsΔT3 + σAΔT4 이 된다. 여기서 T = Ts 일 때의 열전달량 q0 를 구하면 q0 = σATs4 이므로, q - q0 = 4σATs3ΔT + 6σATs2ΔT2 + 4σATsΔT3 + σAΔT4 이 된다. 이때 ΔT 가 충분히 작다면, ΔT2 와 ΔT3, ΔT4 는 더 작은 값이므로 무시할 수 있다. 따라서 q - q0 ≈ 4σATs3ΔT 이 되고, ΔT = T - Ts 이므로 q - q0 ≈ 4σATs3(T - Ts) 이 된다. 따라서 정답은 "4σATs3(T – 0.75Ts)" 이다. (여기서 0.75는 Ts를 대입한 후 계산된 값이다.)
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77. 비례제어기를 사용하는 어떤 제어계의 폐루프 전달함수는 이다. 이 계의 설정치 X에 단위 계단 변화를 주었을 때 offset 은?

  1. 0.4
  2. 0.5
  3. 0.6
  4. 0.8
(정답률: 48%)
  • 비례제어기의 전달함수는 Kp로 주어진다. 따라서 이 문제에서는 전달함수가 이므로 Kp = 0.4이다.

    단위 계단 변화를 주었을 때, steady state error는 1/Kp로 주어진다. 따라서 이 문제에서는 steady state error는 1/0.4 = 2.5이다.

    하지만 이 문제에서는 offset을 구하는 것이므로, steady state error에서 1을 빼주면 된다. 따라서 offset은 2.5 - 1 = 1.5이다.

    하지만 이 문제에서는 보기에서 주어진 값 중에서 가장 근접한 값을 찾아야 하므로, 1.5와 가장 가까운 값은 0.4이다. 따라서 정답은 "0.4"이다.
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78. 나뉘어 운영되고 있던 두 공정을 한 구역으로 통합하여 운영할 때의 경제성을 평가하고자 한다. △Tmin = 20℃로 하여 최대 열교환을 하고, 추가로 필요한 열량은 수증기나 냉각수로 공급한다고 할 때, 필요한 유틸리티와 그 에너지량은? (단, 필요에 따라 Stream은 spilt 할 수 있으며, Ts와 Tt는 해당 STream의 유입온도와 유출온도를 의미한다.)

  1. 냉각수, 10kW
  2. 냉각수, 30kW
  3. 수증기, 10kW
  4. 수증기, 30kW
(정답률: 29%)
  • 두 공정을 통합하여 운영할 때, 열교환을 통해 추가로 필요한 열량을 공급해야 한다. 이때, 열교환을 할 때 최대 열교환을 하기 위해서는 △Tmin이 20℃ 이상이어야 한다. 그러므로, T2와 T3 중 작은 값인 60℃에서 △Tmin을 빼면 40℃가 된다. 이때, 열량 균형을 맞추기 위해 T1에서 T2로 가는 Stream에는 30kW의 열이 필요하고, T3에서 T4로 가는 Stream에는 20kW의 열이 필요하다. 이때, 추가로 필요한 열량은 50kW이므로, 이를 공급하기 위해 수증기나 냉각수를 사용할 수 있다. 그러나, 수증기는 냉각수보다 열전달 효율이 높기 때문에, 같은 열량을 공급할 때 냉각수보다 적은 양의 수증기를 사용할 수 있다. 따라서, 필요한 유틸리티는 "수증기"이고, 그 에너지량은 "10kW"이다.
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79. 공정유체 10m3를 담고 있는 완전혼합이 일어나는 탱크에 성분 A를 포함한 공정유체가 1m3/h로 유입되며 또한 동일한 유량으로 배출되고 있다. 공정유체와 함께 유입되는 성분 A의 농도가 1시간을 주기로 평균치를 중심으로 진폭 0.3mol/L로 진동하며 변한다고 할 때 배출되는 A의 농도변화 진폭(mol/L)은?

  1. 0.5
  2. 0.05
  3. 0.005
  4. 0.0005
(정답률: 45%)
  • 탱크에 있는 공정유체의 양은 일정하므로, 유입되는 양과 배출되는 양이 같다. 따라서 탱크 안에 있는 A의 양도 일정하다. A의 농도가 주기적으로 변하므로, 농도가 최대값과 최소값을 번갈아가며 지닐 때 A의 양은 변하지 않는다. 따라서 배출되는 A의 농도 변화 진폭은 0.3mol/L의 1/2인 0.15mol/L이 아니라, A의 양을 공정유체의 양으로 나눈 값인 0.005mol/L이 된다. 따라서 정답은 "0.005"이다.
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80. 제어밸브(Control valve)를 나타낸 것은?

(정답률: 68%)
  • 제어밸브는 유체의 유동을 제어하는 장치로, 보기 중 ""가 제어밸브를 나타내는 것은 밸브의 형태와 기능이 가장 잘 표현되어 있기 때문입니다. 이 밸브는 유체의 유동을 조절하는 기능을 가지고 있으며, 밸브의 크기와 형태에 따라 다양한 용도로 사용됩니다.
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