화공기사 필기 기출문제복원 (2022-04-24)

화공기사 2022-04-24 필기 기출문제 해설

이 페이지는 화공기사 2022-04-24 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

화공기사
(2022-04-24 기출문제)

목록

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: 66%)
  • 중과린산석회는 인광석을 인산으로 처리하여 제조하는 고농도 인산칼슘 비료로, 식물이 흡수하기 쉬운 형태로 인산을 공급합니다.
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2. 공업적인 HCl 제조방법에 해당하는 것은?

  1. 부생염산법
  2. Petersen Tower법
  3. OPL법
  4. Meyer법
(정답률: 75%)
  • 공업적으로 염산($HCl$)을 제조하는 대표적인 방법은 다른 화학 공정의 부산물로 생성되는 염화수소를 회수하여 만드는 부생염산법입니다.

    오답 노트
    Petersen Tower법, Meyer법: 칠레 초석과 황산을 반응시켜 질산을 생산하는 방법
    OPL법: 고압 산소를 이용한 금속 처리 공정
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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: 69%)
  • 석회질소 비료는 인산계 비료와 배합 시 부반응을 일으키기 때문에 과린산석회, 암모늄염 등과의 배합비료로 사용하기에 부적합합니다.
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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%)
  • 효율적인 추출을 위해서는 용제와 추출 성분을 나중에 쉽게 분리할 수 있어야 합니다. 따라서 용제의 비점과 추출 성분의 비점 차이가 커야 증류 등을 통해 쉽게 분리할 수 있습니다.

    오답 노트
    선택성, 용해도, 부식성: 용제가 갖추어야 할 필수적인 긍정적 조건
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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: 79%)
  • 말레산 무수물을 벤젠의 공기산화법으로 제조할 때는 탈수 및 산화 작용을 돕는 $\text{V}_2\text{O}_5$ 촉매가 사용됩니다.

    오답 노트
    $\text{PdCl}_2$: 수소화 및 산화 반응 촉매
    $\text{LiH}_2\text{PO}_4$: 산화-환원 촉매
    $\text{Si-Al}_2\text{O}_3$ 담체 Nickel: 하이드로 크래킹 및 수소화 반응 촉매
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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: 63%)
  • 전기분해 반응식 $2\text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 + \text{Cl}_2$에 따라 $\text{NaOH}$와 $\text{Cl}_2$의 생성 몰수 비는 $2:1$입니다.
    ① [기본 공식] $\text{m}(\text{NaOH}) = \frac{\text{m}(\text{Cl}_2)}{\text{M}(\text{Cl}_2)} \times 2 \times \text{M}(\text{NaOH})$
    ② [숫자 대입] $\text{m}(\text{NaOH}) = \frac{17.75 \times 10^6}{71} \times 2 \times 40$
    ③ [최종 결과] $\text{m}(\text{NaOH}) = 20 \times 10^6 \text{ g} = 20 \text{ ton}$
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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: 64%)
  • 에스테르화 반응에서 초산($CH_{3}COOH$)의 $OH$ 그룹과 에탄올($C_{2}H_{5}OH$)의 $H$가 결합하여 물($H_{2}O$)이 생성됩니다. 따라서 물 분자의 산소 원자는 초산의 $OH$에서 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%)
  • 암모니아 산화 공정의 촉매는 표면적을 극대화하기 위해 매우 가는 선을 망 형태로 짜서 사용합니다.
    촉매 형상은 직경 $0.066\text{mm}$ 정도의 매우 가는 선을 사용하여 $\text{cm}^{2}$당 약 $3600$개의 구멍이 있는 망 형태로 제작하는 것이 일반적입니다.
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9. 다음 중 옥탄가가 가장 낮은 가솔린은?

  1. 접촉개질 가솔린
  2. 알킬화 가솔린
  3. 접촉분해 가솔린
  4. 직류 가솔린
(정답률: 60%)
  • 가솔린의 옥탄가는 노킹 저항성을 나타내며, 원유를 단순 증류하여 얻는 직류 가솔린이 개질이나 분해 공정을 거친 가솔린들에 비해 옥탄가가 가장 낮습니다.
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10. 열가소성 플라스틱에 해당하는 것은?

  1. ABS수지
  2. 규소수지
  3. 에폭시수지
  4. 알키드수지
(정답률: 65%)
  • 플라스틱은 열에 의한 성질 변화에 따라 열가소성과 열경화성으로 구분됩니다. ABS수지는 열을 가하면 부드러워져 재성형이 가능한 열가소성 플라스틱에 해당합니다.

    오답 노트
    규소수지, 에폭시수지, 알키드수지: 열을 가하면 굳어지는 열경화성 플라스틱
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11. 황산제조에 사용되는 원료가 아닌 것은?

  1. 황화철광
  2. 자류철광
  3. 염화암모늄
  4. 금속제련 폐가스
(정답률: 63%)
  • 황산 제조를 위해서는 원료에 반드시 황($S$) 성분이 포함되어 있어야 합니다. 염화암모늄($NH_{4}Cl$)은 황 성분이 없으므로 원료로 사용할 수 없습니다.

    오답 노트
    황화철광, 자류철광, 금속제련 폐가스: 모두 황 성분을 포함하고 있어 황산 제조 원료로 사용 가능함
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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: 65%)
  • 연료전지는 작동 온도에 따라 구분되며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 약 $600 \sim 700^{\circ}C$의 고온에서 작동하며 수소나 일산화탄소를 연료로 사용합니다.

    오답 노트
    인산형 연료전지(PAFC): $150 \sim 200^{\circ}C$
    알칼리형 연료전지(AFC): 상온 $\sim 100^{\circ}C$
    고체산화물 연료전지(SOFC): $700 \sim 1000^{\circ}C$
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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: 62%)
  • 반도체 세정 공정에서 Piranha 용액은 강력한 산화력을 이용하여 유기물을 제거하며, 황산과 과산화수소의 혼합액으로 구성됩니다.

    오답 노트
    질산, 암모니아: SC-1은 암모니아와 과산화수소 혼합액임
    불산, 염화나트륨: HF는 불화수소산임
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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: 73%)
  • 중금속 이온은 주로 화학적 침전, 이온교환, 흡착, 전기화학적 방법을 통해 제거하며, 열분해는 유기물을 분해하는 방법으로 중금속 이온 제거에는 적합하지 않습니다.

    오답 노트
    이온교환수지를 이용하여 제거: 이온교환 수지로 중금속 이온을 교환 제거함
    pH를 조절하여 수산화물 형태로 침전제거: 불용성 화합물로 만들어 침전시킴
    전기화학적 방법을 이용한 전해 회수: 전기 분해를 통해 회수함
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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: 67%)
  • 르블랑 공정의 화학 반응식( $2NaCl + H_{2}SO_{4} \rightarrow Na_{2}SO_{4} + 2HCl$)을 바탕으로, 생성되는 $HCl$의 양에 필요한 $NaCl$의 이론량을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{소금량} = \frac{\text{HCl 생산량}}{\text{HCl 분자량}} \times \frac{\text{NaCl 분자량}}{\text{소금 순도}} \times \frac{2\text{NaCl}}{2\text{HCl}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{소금량} = \frac{3000}{36.5} \times \frac{58.5}{0.85} \times \frac{2}{2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{소금량} = 5647$$
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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: 61%)
  • 레페(Reppe) 합성반응은 아세틸렌($C_{2}H_{2}$)을 기본 원료로 하며, 크게 비닐화, 에티닐화, 카르보닐화, 고리화 반응으로 분류됩니다. 알킬화 반응은 이에 해당하지 않습니다.
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17. 환경친화적인 생분해성 고분자로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 전분
  2. 폴리이소프렌
  3. 폴리카프로락톤
  4. 지방족폴리에스테르
(정답률: 63%)
  • 폴리이소프렌은 천연 고무의 주성분으로, 구조적 특성상 자연 상태에서 쉽게 분해되지 않아 생분해성 고분자로 보기 어렵습니다. 전분, 폴리카프로락톤, 지방족폴리에스테르는 대표적인 생분해성 고분자입니다.
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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: 71%)
  • 용질의 질량을 용액 전체의 질량(용질 + 용매)으로 나누어 중량 퍼센트 농도를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\text{wt\%} = \frac{W_{solute}}{W_{solute} + W_{solvent}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{wt\%} = \frac{42.3}{42.3 + 83} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{wt\%} = 33.76$
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19. 일반적인 공정에서 에텔렌으로부터 얻는 제품이 아닌 것은?

  1. 에틸벤젠
  2. 아세트알데히드
  3. 에탄올
  4. 염화알릴
(정답률: 71%)
  • 염화알릴은 에틸렌이 아니라 프로필렌을 원료로 하여 제조하는 제품입니다. 에틸벤젠, 아세트알데히드, 에탄올은 모두 에틸렌으로부터 합성 가능한 제품입니다.
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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%)
  • 제시된 반응식 $A_{(g)} + B_{(g)} \rightleftharpoons C_{(g)} + 2\text{ kcal}$에서 에너지가 생성물 쪽에 표기되어 있으므로 이는 열을 방출하는 발열반응입니다. 르샤틀리에 원리에 따라 발열반응에서 온도를 높이면 계는 열을 흡수하는 방향인 역반응으로 진행하게 됩니다.

    오답 노트
    압력을 높이면: 분자 수가 감소하는 정방향으로 진행함
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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: 79%)
  • 일정한 온도와 압력 조건에서 계의 깁스 자유 에너지 변화량 $(dG^t)_{T,P}$가 0일 때, 계는 더 이상 순 변화가 없는 평형 상태에 도달하게 됩니다.

    오답 노트
    $(dG^t)_{T,P} < 0$: 자발적 과정
    $(dG^t)_{T,P} > 0$: 비자발적 과정
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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: 32%)
  • 이 문제는 열역학적 평형 상태에서의 온도 변화를 묻는 문제로, 주어진 조건과 이상기체 상태 방정식을 통해 최종 온도를 도출합니다. 계산 결과 $T_{1f} = 222.8$, $T_{2f} = 330.6$이 도출됩니다.
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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: 61%)
  • 화학 반응계의 자유도 $F$는 깁스 상률을 이용하여 계산합니다. 기체 화학종 3개($N_2, H_2, NH_3$)가 단일 상($P=1$)에서 1개의 화학 평형 반응($r=1$)을 일으키며 특별한 제약 조건($s=0$)이 없는 경우입니다.
    ① [기본 공식] $F = 2 - P + C - r - s$
    ② [숫자 대입] $F = 2 - 1 + 3 - 1 - 0$
    ③ [최종 결과] $F = 3$
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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%)
  • 평균 열용량 $\langle C_P \rangle$는 특정 온도 구간 $T_0$에서 $T$까지의 열용량 적분값을 온도 변화량으로 나눈 값으로 정의됩니다. 주어진 이미지의 수식을 정리하면 다음과 같습니다.
    $$\int_{T_0}^{T} \frac{C_P}{R} dT = (T - T_0) \langle C_P \rangle$$
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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: 66%)
  • Px 선도가 양의 편차를 나타낸다는 것은 라울의 법칙으로 예측한 값보다 실제 증기압이 더 높다는 것을 의미합니다. 증기압이 높아지면 휘발성이 커지며, 이는 서로 다른 종류의 분자 간 인력이 약해져 분자들이 더 쉽게 기상으로 탈출하기 때문입니다. 따라서 같은 종류의 분자 간 인력이 다른 종류의 분자 간 인력보다 더 큽니다.
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26. 공기표준 오토사이클의 효율을 옳게 나타낸 식은? (단, a는 압축비, γ는 비열비(CP/Cv)이다.)

(정답률: 74%)
  • 공기표준 오토사이클의 효율 $\eta$는 압축비 $a$와 비열비 $\gamma$를 이용하여 다음과 같이 나타냅니다.
    정답은 $1 - ( \frac{1}{a} )^{\gamma-1}$가 포함된 입니다.
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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: 55%)
  • 동일한 이심인자를 갖는 유체라고 해서 단순히 같은 온도와 압력에서 동일한 $Z$ 값을 갖는 것이 아니라, 반드시 환산온도($T_r$)와 환산압력($P_r$)이 같을 때 동일한 $Z$ 값을 가집니다.
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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: 50%)
  • 정적 과정( $dV=0$)에서 온도와 압력의 변화 관계식은 부피팽창계수 $\beta$와 등온압축계수 $\kappa$를 이용하여 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $0 = \beta \Delta T - \kappa \Delta P$
    ② [숫자 대입] $0 = (1.487 \times 10^{-3}) \times (30 - 20) - (62 \times 10^{-6}) \times (P - 1)$
    ③ [최종 결과] $P = 240.83 \approx 241$
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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: 74%)
  • i성분의 부분 몰 성질 $\overline{M}_i$는 온도 $T$, 압력 $P$, 그리고 다른 성분들의 몰 수 $n_j$가 일정할 때, 전체 용량변수 $nM$을 해당 성분의 몰 수 $n_i$로 편미분한 값으로 정의합니다.
    따라서 정답은 $\overline{M}_i = [ \frac{\partial(nM)}{\partial n_i} ]_{T, P, n_j}$가 포함된 입니다.
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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%)
  • 퓨개시티(Fugacity)는 실제 기체의 화학 퍼텐셜을 압력 단위로 나타낸 개념으로, 단순히 압력뿐만 아니라 온도와 조성의 함수입니다.

    오답 노트
    세기 성질: 물질의 양에 관계없는 성질이 맞음
    이상기체 대응: 실제 기체의 비이상성을 보정하여 이상기체 압력처럼 취급함
    퓨개시티 계수: $f = \phi P$ 관계가 성립함
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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: 34%)
  • 병렬 및 연쇄 반응이 혼합된 시스템에서 중간 생성물 $R$의 최대 농도를 구하기 위해, 먼저 $R$이 최대가 되는 시간 $t_{max}$를 구한 뒤 이를 농도 식에 대입합니다.
    ① [기본 공식] $t_{max} = \frac{\ln(k_1 / (k_2 + k_3))}{k_1 - (k_2 + k_3)}$ , $$C_{Rmax} = \frac{k_1 C_{A0}}{k_2 + k_3 - k_1} (e^{-k_1 t_{max}} - e^{-(k_2 + k_3) t_{max}})$$
    ② [숫자 대입] $t_{max} = \frac{\ln(6 / (3 + 1))}{6 - (3 + 1)} = 0.2\text{h}$ , $$C_{Rmax} = \frac{6 \times 1.0}{3 + 1 - 6} (e^{-6 \times 0.2} - e^{-(3 + 1) \times 0.2})$$
    ③ [최종 결과] $C_{Rmax} = 0.444$
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32. A → P 비가역 1차 반응에서 A의 전화율 관련식을 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 70%)
  • 비가역 1차 반응에서 전화율 $X_A$는 초기 반응물 양 $N_{A0}$ 대비 반응한 양의 비율을 의미하며, 남은 양 $N_A$와의 관계식으로 정의됩니다.
    ① [기본 공식] $N_A = N_{A0}(1 - X_A)$
    ② [숫자 대입] (해당 없음)
    ③ [최종 결과] $N_A = N_{A0}(1 - X_A)$
    따라서 정답은 입니다.
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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: 66%)
  • 연쇄 반응 $A \rightarrow R \rightarrow S$에서 목적 생성물인 $R$의 수율을 높이려면, $R$이 $S$로 분해되는 속도보다 $A$가 $R$로 생성되는 속도를 상대적으로 높게 유지해야 합니다. 따라서 반응물 $A$의 농도를 높게 유지하여 $R$의 생성 속도를 촉진하는 것이 유리합니다.
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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: 58%)
  • 이상기체 상태방정식 $PV = nRT$에 의해 농도 $C_A$는 $\frac{P_A}{RT}$로 나타낼 수 있습니다. 반응속도 $-r_A$는 농도의 시간 변화율이므로, 이를 분압 $P_A$에 관한 식으로 변환하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $-r_A = -\frac{dC_A}{dt} = -\frac{1}{RT} \frac{dP_A}{dt}$
    ② [숫자 대입] (해당 없음)
    ③ [최종 결과] $-r_A = -\frac{1}{RT} \frac{dP_A}{dt}$
    따라서 정답은 입니다.
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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: 42%)
  • 단열 상태에서 온도가 증가함에 따라 전화율 $X_{A}$가 감소하는 그래프 는 흡열 반응의 특징을 나타냅니다. 흡열 반응은 반응이 진행될수록 계의 열을 흡수하여 온도가 낮아지며, 온도가 낮아지면 반응 속도가 떨어져 전화율이 감소하게 됩니다. 따라서 이는 $\Delta H_{R} > 0$ 인 흡열 반응입니다.
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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: 34%)
  • 에틸렌 생산량으로부터 필요한 원료 $C_{2}H_{6}$의 공급속도를 구하고, PFR 설계 방정식을 이용하여 부피를 계산합니다.
    1. 원료 공급속도 계산: 연간 $2 \times 10^{8} \text{ kg}$ 생산을 위해 필요한 $F_{A0}$는 약 $0.25 \text{ kmol/s}$ 입니다.
    2. 초기 농도 계산: $C_{A0} = \frac{P_{A0}}{RT} = \frac{8}{0.082 \times 1200} = 0.0813 \text{ kmol/m}^{3}$
    3. PFR 부피 계산: 1차 반응 설계 식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{F_{A0}}{C_{A0} \cdot k} \ln\frac{1}{1-X}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{0.25}{0.0813 \times 4.07} \ln\frac{1}{1-0.9}$
    ③ [최종 결과] $V = 2.84$
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37. 반응물 A의 경쟁반응이 아래와 같을 때, 생성물 R의 순간 수율(øR)은?

(정답률: 64%)
  • 순간 수율 $\phi_{R}$은 반응물 $A$가 소모되는 속도 대비 목적 생성물 $R$이 생성되는 속도의 비로 정의됩니다. 제시된 경쟁 반응 $\begin{cases} A \rightarrow R \\ A \rightarrow S \end{cases}$에서 $A$의 전체 소모 속도는 $R$의 생성 속도와 $S$의 생성 속도의 합과 같으므로, 수식은 다음과 같습니다.
    $$\phi_{R} = \frac{dC_{R}}{-dC_{A}} = \frac{dC_{R}}{dC_{R} + dC_{S}}$$
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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: 48%)
  • 직렬로 연결된 $N$개의 PFR은 전체 부피가 합쳐진 하나의 큰 PFR과 동일한 특성을 가집니다. 동일한 전화율을 유지하면서 반응기 부피가 2배(1개 추가)로 늘어났으므로, 체류 시간을 일정하게 유지하기 위해 원료의 공급속도 또한 2배로 증가시켜야 합니다.
    $$F_{A0}' = 2F_{A0}$$
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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: 57%)
  • 목적 생성물 $D$의 반응 속도식은 $r_{D} = k_{1}C_{A}^{2}C_{B}^{3}$이고, 부산물 $U$의 반응 속도식은 $r_{U} = k_{2}C_{A}C_{B}$ 입니다. 선택도를 높이려면 $k_{1}/k_{2}$ 값이 커져야 하는데, 활성화 에너지 관계가 $E_{1} < E_{2}$ 일 때 온도가 상승하면 활성화 에너지가 큰 반응($k_{2}$)의 속도가 더 빠르게 증가하여 $k_{1}/k_{2}$ 값은 감소하게 됩니다. 따라서 높은 온도는 선택도를 저하시키는 조건입니다.
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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: 44%)
  • 혼합흐름 반응기(CSTR)의 열수지에서 생성된 열 $G(T)$는 온도에 따라 변하며, 아주 낮은 온도나 아주 높은 온도에서는 반응물이 거의 모두 소모되거나 반응이 일어나지 않아 $G(T) = -\Delta H_{RX} \times q$ 형태로 단순화됩니다. 따라서 제시된 수식 $\text{G(T) = - \Delta H_{RX} \cdot \tau Ae}^{-\frac{E}{RT}}$ 로 축소된다는 설명은 틀린 것입니다.
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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: 59%)
  • 관 부속품은 용도에 따라 구분됩니다. 유니온, 니플, 소켓 등은 두 개의 관을 서로 연결할 때 사용하지만, 플러그는 관의 끝단을 막아 유로를 차단할 때 사용합니다.

    오답 노트
    유니온, 니플, 소켓: 관과 관의 연결용
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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: 27%)
  • 건조 공기가 단위 시간당 제거하는 수분량을 계산하여 전체 수분 제거량을 해당 수분량으로 나누어 시간을 구합니다.
    먼저 건조 공기량(Dry Air)을 구합니다.
    $$0.02 = \frac{a}{50 - a} \implies a = 0.98 \text{ kg/min}$$
    건조 공기량: $50 - 0.98 = 49.02 \text{ kg/min}$
    단위 시간당 수분 제거량: $49.02 \times (0.05 - 0.02) = 1.47 \text{ kg/min}$
    ① [기본 공식] $\text{Time} = \frac{\text{Total Water}}{\text{Water Removal Rate}}$
    ② [숫자 대입] $\text{Time} = \frac{60}{1.47}$
    ③ [최종 결과] $\text{Time} = 40.8$
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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: 24%)
  • 증발기에서 필요한 총 열량은 원액을 비점까지 가열하는 현열과 물을 증발시키는 잠열의 합이며, 이는 총괄열전달계수와 전열면적, 온도차의 곱과 같습니다.
    먼저 NaOH의 질량 보존을 통해 증발량 $r$을 구합니다.
    NaOH 질량: $0.08 \times 4540 = 363.2 \text{ kg/h}$
    농축액 질량: $363.2 / 0.18 = 2017.78 \text{ kg/h}$
    증발량 $r$: $4540 - 2017.78 = 2522.22 \text{ kg/h}$
    이제 열수지 식을 통해 $U$를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $U \times A \times \Delta T = F \times C \times \Delta T_{sensible} + r \times \lambda$
    ② [숫자 대입] $U \times 37.2 \times (110 - 88) = 4540 \times 0.92 \times (88 - 21) + 2522.22 \times 547$
    ③ [최종 결과] $U = 2027$
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44. 건조장치의 선정에서 고려할 사항 중 가장 중요한 사항은?

  1. 습윤상태
  2. 화학포텐셜
  3. 엔탈피
  4. 반응속도
(정답률: 70%)
  • 건조 공정의 핵심 목적은 물질 내의 수분을 제거하는 것이므로, 원료의 수분 함량과 상태를 나타내는 습윤상태가 장치 선정 및 설계 시 가장 최우선으로 고려되어야 할 사항입니다.
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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: 32%)
  • Ostwald 점도계법은 표준 유체(증류수)와 측정 유체의 점도비가 밀도와 통과 시간의 곱에 비례한다는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{\mu_A}{\mu_w} = \frac{\rho_A t_A}{\rho_w t_w}$
    ② [숫자 대입] $\mu_A = \frac{0.8790 \times (2.5 \times 60)}{0.9982 \times 10} \times 1$
    ③ [최종 결과] $\mu_A = 13.2\text{ cP} = 0.132\text{ P}$
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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: 63%)
  • HETP는 이론단 하나와 동일한 분리 효율을 갖는 충전탑의 높이를 의미합니다. 따라서 HETP 값이 작을수록 더 낮은 높이에서 동일한 분리 성능을 낼 수 있으므로 단의 효율이 더 좋다고 판단합니다.

    오답 노트
    HETP의 값이 1m보다 클 때 단의 효율이 좋다: 값이 작을수록 효율이 높음
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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: 68%)
  • 비등 곡선은 온도 구배가 증가함에 따라 자연대류 $\rightarrow$ 핵비등 $\rightarrow$ 전이비등 $\rightarrow$ 막비등 순으로 진행됩니다. 제시된 그래프 에서 B-C 구간은 열전달계수가 급격히 증가하는 핵비등 구간에 해당합니다.
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48. 확산에 의한 분리 조작이 아닌 것은?

  1. 증류
  2. 추출
  3. 건조
  4. 여과
(정답률: 55%)
  • 증류, 추출, 건조 등은 물질의 농도 차이에 의한 확산 원리를 이용하는 분리 조작입니다. 반면 여과는 입자의 크기 차이를 이용하여 고체와 액체를 분리하는 기계적 분리 조작이므로 확산과는 무관합니다.
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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: 42%)
  • 유동이 완전히 발달된 상태에서 측정하기 위해 층류일 때의 전이 길이를 계산합니다. 레이놀즈수 $Re = 300$은 층류 영역에 해당합니다.
    ① [기본 공식] $L = 0.05 \times Re \times D$
    ② [숫자 대입] $L = 0.05 \times 300 \times 0.025$
    ③ [최종 결과] $L = 0.375$
    따라서 최소 적정거리는 $0.375 \text{ m}$ 입니다.
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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: 51%)
  • 원료 공급단에서 탈거부로 내려가는 액체의 몰수인 $q$값은 원료의 열적 상태를 나타냅니다.
    포화 증기(노점) 상태일 때 $q = 0$이며, 과열 증기 상태일 때는 $q < 0$이 됩니다. 따라서 증기 원료일 때 $q$값이 0보다 크다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    최소환류비: 이론단수가 무한대가 됨
    포종: 기액접촉 효율이 우수함
    Ponchon-Savarit법: 엔탈피-농도 도표 기반 방법
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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: 65%)
  • 표준 반응열은 생성물의 표준 연소열 합에서 반응물의 표준 연소열 합을 뺀 값으로 구할 수 있습니다.
    반응식: $\text{CH}_3\text{OCH}_3(g) + \text{CO}(g) \rightarrow \text{CH}_3\text{COOCH}_3(g)$
    ① [기본 공식] $\Delta H^0 = \sum \Delta H_{c, \text{reactants}} - \sum \Delta H_{c, \text{products}}$
    ② [숫자 대입] $\Delta H^0 = [(-348.8) + (-67.6)] - [-397.5]$
    ③ [최종 결과] $\Delta H^0 = -18.9$
    따라서 표준 반응열은 $-18.9 \text{ kcal/mol}$ 입니다.
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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: 57%)
  • 흡수탑에서 기체 B만 제거되므로, 기체 A의 몰수는 변하지 않는다는 점을 이용해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $y_{A,out} = \frac{n_{A,in}}{n_{total,in} - x}$
    ② [숫자 대입] $0.8 = \frac{100 \times 0.3}{100 - x}$
    ③ [최종 결과] $x = 62.5$
    따라서 기체 B의 흡수량은 $62.5 \text{ mol/h}$ 입니다.
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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: 46%)
  • 충돌 전 두 차량이 가지고 있던 운동에너지의 총합이 충돌 후 정지하며 모두 변화(소실)된 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$E = \frac{1}{2} (m_1 + m_2) v^2$$
    ② [숫자 대입]
    $$E = \frac{1}{2} (10 \times 10^3 + 2.5 \times 10^3) \times (25)^2$$
    ③ [최종 결과]
    $$E = 3.9 \times 10^6$$
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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: 64%)
  • 순환(recycle)과 우회(bypass)는 모두 공정의 효율이나 조성을 조절하기 위해 사용되지만, 그 메커니즘과 결과가 다릅니다. 순환은 반응물 회수를 통해 전환율을 높이는 것이 주 목적이며, 우회는 최종 제품의 조성을 맞추기 위해 일부 흐름을 건너뛰게 하는 것입니다. 따라서 두 조작에 의한 조성의 변화가 같다는 설명은 틀린 것입니다.
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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: 51%)
  • 특정 온도 구간에서의 평균 열용량은 해당 구간의 열용량 함수를 적분한 후 온도 차이로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$C_{P,avg} = \frac{1}{T_2 - T_1} \int_{T_1}^{T_2} C_P dT$$
    ② [숫자 대입]
    $$C_{P,avg} = \frac{1}{1000 - 500} \int_{500}^{1000} (6.935 + 6.77 \times 10^{-4}T + 1.3 \times 10^{-7}T^2) dT$$
    ③ [최종 결과]
    $$C_{P,avg} = 7.518$$
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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: 49%)
  • 온도 변화에 따른 용해도 차이로 인해 석출되는 용질의 양을 구하는 문제입니다. 먼저 $60^{\circ}C$ 포화수용액 내의 용질량($x$)과 용매량을 구한 뒤, 동일한 용매량에서 $20^{\circ}C$일 때 녹을 수 있는 용질량($y$)을 계산하여 그 차이를 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$x = \frac{S_1}{100 + S_1} \times M$$
    $$y = \frac{S_2}{100 + S_1} \times 100$$
    ② [숫자 대입]
    $$x = \frac{16.4}{116.4} \times 10000 = 1408.9$$
    $$y = \frac{9.6}{100} \times (10000 - 1408.9) = 824.6$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta x = 1408.9 - 824.6 = 584.3$$
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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: 53%)
  • 자유도는 총 변수의 수에서 독립적인 물질 수지식의 수를 뺀 값으로 계산합니다.
    총 변수 수는 흐름 $F$(3개), $W$(2개), $P$(3개)로 총 8개이며, 독립적인 물질 수지식은 성분 $A, B, C$에 대해 총 3개입니다.
    $$DF = 8 - 3$$
    $$DF = 5$$
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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: 56%)
  • 주어진 반응식 $\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{NO}$에서 $\Delta H = -43\text{kcal}$는 $\text{NO}$ $2\text{mol}$이 생성될 때의 엔탈피 변화(생성열)를 의미합니다. 따라서 $\text{NO}$ $1\text{mol}$의 생성열은 $-21.5\text{kcal}$이며, 분해열은 생성열의 부호를 반대로 한 값입니다.
    ① [기본 공식] $\text{분해열} = -\frac{\Delta H}{2}$
    ② [숫자 대입] $\text{분해열} = -\frac{-43}{2}$
    ③ [최종 결과] $\text{분해열} = +21.5$
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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: 59%)
  • 과잉공기%는 이론적으로 필요한 공기량보다 실제로 얼마나 더 많은 공기가 공급되었는지를 백분율로 나타낸 것입니다.
    ① [기본 공식] $\text{Excess Air } \% = \frac{A - A_0}{A_0} \times 100$
    ② [숫자 대입] 해당 없음
    ③ [최종 결과]
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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: 56%)
  • 물탱크까지 물을 올리는 데 필요한 위치 에너지의 증가량은 질량, 중력가속도, 그리고 총 높이의 곱으로 계산합니다. 이때 총 높이는 지하 깊이와 지상 높이의 합입니다.
    ① [기본 공식] $E = mgh$
    ② [숫자 대입] $E = 15 \times 9.8 \times (220 + 20)$
    ③ [최종 결과] $E = 35280$
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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-Nichols 튜닝법을 적용하기 위해 먼저 한계 이득 $K_u$와 한계 주기 $P_u$를 구해야 합니다. 특성방정식 $1 + G_{OL}(jw) = 0$을 만족하는 조건을 분석하면 $K_u = 4$, $P_u = 2\pi$가 도출됩니다.
    PI 제어기의 튜닝 공식에 대입하여 최종 값을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $K_c = 0.45 K_u, \quad \tau_I = \frac{P_u}{1.2}$
    ② [숫자 대입] $K_c = 0.45 \times 4, \quad \tau_I = \frac{2\pi}{1.2}$
    ③ [최종 결과] $K_c = 1.8, \quad \tau_I = 5.2$
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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: 43%)
  • 각 공정의 전달함수에서 분자는 공정 이득 $K_C$, 분모의 $s$ 계수는 시간 상수 $\tau$를 나타냅니다.
    공정 A: $\frac{2}{10s+1}$ $\rightarrow$ $K_C = 2, \tau = 10$
    공정 B: $\frac{4}{5s+1}$ $\rightarrow$ $K_C = 4, \tau = 5$
    최종 응답 값은 공정 이득 $K_C$에 비례하므로, 이득이 4인 공정 B가 이득이 2인 공정 A보다 더 큰 최종 응답 변화 값을 가집니다.

    오답 노트
    공정 A가 더 빠르게 정상상태에 도달한다: 시간 상수 $\tau$가 더 큰 공정 A가 더 느리게 도달함
    진동 관련 보기: 1차 시스템은 응답 시 진동이 발생하지 않음
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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: 57%)
  • 공정제어는 입력 변수를 측정하고 이를 기반으로 조작 변수를 조절하여 출력 변수를 목표값으로 유지하는 동적인 시스템을 의미합니다.
    저장조의 크기를 증가시켜 영향을 줄이는 것은 시스템의 물리적 구조를 변경하는 것이므로 공정제어가 아닌 공정설계의 개념입니다.
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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: 45%)
  • Bode 시스템의 안정도를 판단하기 위한 개방회로 전달함수(Open-loop Transfer Function)는 피드백 루프를 끊었을 때 입력부터 출력까지 경로에 있는 모든 전달함수의 곱으로 나타냅니다.
    제시된 블록선도에서 루프를 구성하는 요소는 $G_C$, $G_1$, $G_2$, $H$이므로 이들의 곱인 $G_C G_1 G_2 H$가 됩니다.
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65. Smith predictor는 어떠한 공정문제를 보상하기 위하여 사용되는가?

  1. 역응답
  2. 공정의 비선형
  3. 지연시간
  4. 공정의 상호간섭
(정답률: 54%)
  • Smith predictor는 모델 기반 예측 개념을 사용하여 공정 내에 존재하는 지연시간(Dead time)을 보상함으로써 제어 성능을 향상시키는 제어 기법입니다.
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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: 57%)
  • 동일한 1차계 2개가 직렬로 연결되면 전체 전달함수는 1차계 전달함수의 제곱 형태가 됩니다.
    $$G(s) = (\frac{1}{rs+1})^2 = \frac{1}{(rs)^2 + 2rs + 1}$$
    이를 2차계 표준식인 $G(s) = \frac{1}{(rs)^2 + 2\xi rs + 1}$와 비교하면 감쇠계수 $\xi$가 1인 임계 감쇠 상태와 동일함을 알 수 있습니다.
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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: 60%)
  • 특성방정식의 근(극점)이 하나라도 복소평면의 우측반평면에 존재하면 시스템의 응답이 발산하게 되므로 불안정합니다.
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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: 47%)
  • 단위계단신호 입력 시, 정상상태 오차(offset)는 설정값과 최종 출력값의 차이로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $offset = R(\infty) - C(\infty) = 1 - \frac{G_{c}G}{1 + G_{c}G}$
    ② [숫자 대입] $offset = 1 - \frac{K_{c}A}{1 + K_{c}A}$
    ③ [최종 결과] $offset = \frac{1}{1 + AK_{c}}$
    따라서 정답은 입니다.
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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: 64%)
  • 외부 교란(도로 정보)을 사전에 측정하여 제어에 반영하고, 실제 출력에 의한 피드백 없이 운전하는 방식이므로 앞먹임제어에 해당합니다.

    오답 노트
    되먹임제어: 앞의 상황을 보며 판단하고 수정하는 방식
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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: 60%)
  • 비선형 시스템은 전달함수로 직접 표현할 수 없으므로, 선형화 과정을 거쳐 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 근사적으로 나타낼 수 있습니다.
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71. 어떤 계의 단위계단 응답이 아래와 같을 때, 이 계의 단위충격응답(impulse resonse)은?

(정답률: 49%)
  • 단위 충격응답은 단위계단 응답을 시간에 대해 미분한 값과 같습니다. 주어진 단위계단 응답 $\mathcal{L}[f(t)] = 1 - (1 + \frac{t}{\tau})e^{-\frac{t}{\tau}}$를 미분하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $g(t) = \frac{d}{dt} Y(t)$
    ② [숫자 대입] $g(t) = \frac{d}{dt} [1 - (1 + \frac{t}{\tau})e^{-\frac{t}{\tau}}]$
    ③ [최종 결과] $g(t) = \frac{t}{\tau^2} e^{-\frac{t}{\tau}}$
  • 미분하세요
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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: 53%)
  • 계가 안정하기 위해서는 특성방정식의 모든 계수가 반드시 양수여야 합니다. 주어진 계의 특성방정식이 $S^4 + 3S^3 - 4S^2 + 7 = 0$ 일 때는 $S^2$의 계수가 $-4$로 음수이므로 이 계는 불안정합니다.
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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: 56%)
  • 선형 공정은 입력과 출력 사이에 비례 관계가 성립하는 선형성을 가집니다. 따라서 입력 $u(t)$가 $1$에서 $0.5$로 $1/2$배 감소하면, 출력 $y(t)$ 또한 기존 값의 $1/2$배로 감소합니다.
    ① [기본 공식] $y_{new}(t) = y_{old}(t) \times \frac{u_{new}}{u_{old}}$
    ② [숫자 대입] $y(1) = 0.1 \times 0.5, y(2) = 0.2 \times 0.5, y(3) = 0.4 \times 0.5$
    ③ [최종 결과] $y(1) = 0.05, y(2) = 0.1, y(3) = 0.2$
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74. 일 때, 최종치 정리를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 62%)
  • 라플라스 변환에서 최종치 정리(Final Value Theorem)는 시간 영역에서 $t$가 무한대로 갈 때의 정상상태 값을 $s$ 영역에서 구하는 정리입니다.
    $$\lim_{t \to \infty} f(t) = \lim_{s \to 0} sF(s)$$
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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: 48%)
  • ATO(Air-To-Open) 제어밸브는 공기압이 증가할 때 밸브가 열리는 구조입니다. 발열 반응이 일어나는 반응기에서는 내부 압력 상승 시 이를 조절하여 안전하게 유지해야 하므로, 반응기에 발열을 일으키는 반응 원료의 유량 제어용 제어밸브에 사용되는 것이 일반적입니다.
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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: 55%)
  • 비선형 함수를 특정 동작점 $T_{s}$에서 선형화하기 위해 테일러 급수 전개를 사용합니다. $f(T) \approx f(T_{s}) + f'(T_{s})(T - T_{s})$ 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $q \approx \sigma A T_{s}^{4} + 4\sigma A T_{s}^{3}(T - T_{s})$
    ② [숫자 대입] $q \approx 4\sigma A T_{s}^{3} (0.25 T_{s} + T - T_{s})$
    ③ [최종 결과] $q \approx 4\sigma A T_{s}^{3}(T - 0.75 T_{s})$
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77. 비례제어기를 사용하는 어떤 제어계의 폐루프 전달함수는 이다. 이 계의 설정치 X에 단위 계단 변화를 주었을 때 offset 은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 0.4
  2. 0.5
  3. 0.6
  4. 0.8
(정답률: 43%)
  • 단위 계단 입력에 대한 정상상태 오차(offset)는 설정치와 최종 출력값의 차이로 계산합니다.
    전달함수가 $\frac{Y(s)}{X(s)} = \frac{0.6}{0.2s + 1}$ 일 때, 최종값 정리에 의해 정상상태 출력값은 $0.6$이 됩니다.
    ① [기본 공식] $\text{offset} = \text{Set-point} - Y(\infty)$
    ② [숫자 대입] $\text{offset} = 1 - 0.6$
    ③ [최종 결과] $\text{offset} = 0.4$
  • 정상상태 = lim t ⟶ (무한) = lim s ⟶ 0
    s = 0이니 Y(s) / X(s) = 0.6 / 1 = 0.6
    1 - Y(s) / X(s) = 1 - 0.6 = 0.4
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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: 31%)
  • 핀치 분석법을 통해 통합 공정의 최소 에너지 요구량을 계산합니다. 각 스트림의 열량($Q = C_{P} \Delta T$)을 계산하여 열교환 가능량을 분석합니다.
    스트림 1(냉각): $20 \times (190-110) = 1600\text{kW}$, 스트림 2(가열): $10 \times (170-90) = 800\text{kW}$, 스트림 3(냉각): $10 \times (140-50) = 900\text{kW}$
    총 냉각 필요량은 $1600 + 900 = 2500\text{kW}$이고, 가열 필요량은 $800\text{kW}$입니다. 내부 열교환을 최대화하면 부족한 가열 에너지를 유틸리티로 공급해야 합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Utility} = \sum Q_{\text{heat}} - \sum Q_{\text{cool}}$
    ② [숫자 대입] $\text{Utility} = 800 - (1600 + 900) \text{ (열교환 후 잔량 계산)}$
    ③ [최종 결과] $\text{Utility} = 10\text{kW (수증기)}$ (제시된 정답 기준)
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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: 43%)
  • 완전혼합 탱크에서 유입 농도가 진동할 때, 배출 농도의 진폭은 시스템의 시상수와 진동 주파수에 의해 감쇠됩니다.
    ① [기본 공식] $\text{Amplitude} = \frac{A}{\sqrt{(\tau \omega)^{2} + 1}}$
    ② [숫자 대입] $\text{Amplitude} = \frac{0.3}{\sqrt{(10 \times 2\pi)^{2} + 1}}$
    ③ [최종 결과] $\text{Amplitude} = 0.00477 \approx 0.005$
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80. 제어밸브(Control valve)를 나타낸 것은?

(정답률: 64%)
  • 제어밸브는 일반적인 밸브 기호 위에 제어 장치(액추에이터)를 나타내는 반원형 기호가 결합된 형태인 로 표시합니다.

    오답 노트
    : 일반 밸브
    : 체크밸브
    : 글로브밸브
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