9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2008-04-12)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2008-04-12 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2008-04-12 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 반지름이 2mm, 무게가 0.3 g인 구형입자가 액체로 채워진 시험관에서 자유침강할 때, 정상상태에서 액체의 밀도가 1.0 g/cm3이라면 입자에 작용하는 대략 저항력[dyne]은? (단, π＝3으로 계산한다)

  1. 163
  2. 263
  3. 363
  4. 463
(정답률: 27%)
  • 정상상태의 자유침강 시, 입자에 작용하는 저항력은 입자의 무게에서 부력을 뺀 알짜 힘(순중량)과 같습니다.
    ① [기본 공식] $F_d = W - F_b = W - \rho_{fluid} \times V_{particle} \times g$
    ② [숫자 대입] $F_d = 0.3 \times 980 - 1.0 \times (\frac{4}{3} \times 3 \times 0.2^3) \times 980$
    ③ [최종 결과] $F_d = 263.2$
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2. 열전도의 기본 법칙에 해당되는 것은?

  1. Fourier 법칙
  2. Raoult 법칙
  3. Dalton 법칙
  4. Stokes 법칙
(정답률: 77%)
  • 열전도는 온도 기울기에 따라 열이 이동하는 현상으로, 이를 정의한 기본 법칙은 Fourier 법칙입니다.

    오답 노트
    Raoult 법칙: 용액의 증기압 관련 법칙
    Dalton 법칙: 혼합 기체의 부분 압력 관련 법칙
    Stokes 법칙: 유체 내 입자의 침강 속도 관련 법칙
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3. 안쪽 반지름이 4 cm, 바깥쪽 반지름이 6 cm, 길이가 3m인 원통형 관의 열전달 평균 면적의 대략값[m2]은? (단, π＝3으로 계산한다)

  1. 6.0
  2. 9.0
  3. 0.6
  4. 0.9
(정답률: 72%)
  • 원통형 관의 평균 면적은 안쪽 반지름과 바깥쪽 반지름의 평균값으로 계산한 원통의 표면적을 구하여 산출합니다.
    ① [기본 공식] $A = 2 \pi r_{avg} L = 2 \pi \frac{r_1 + r_2}{2} L = \pi (r_1 + r_2) L$
    ② [숫자 대입] $A = 3 \times (0.04 + 0.06) \times 3$
    ③ [최종 결과] $A = 0.9$
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4. 복사에 의한 열전달과 관계가 없는 법칙은?

  1. Planck 법칙
  2. Wien 법칙
  3. Fourier 법칙
  4. Kirchhoff 법칙
(정답률: 알수없음)
  • 복사 열전달은 Planck, Wien, Kirchhoff 법칙 등이 적용됩니다.

    오답 노트
    Fourier 법칙: 전도에 의한 열전달률을 정의하는 법칙입니다.
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5. 관이나 유로에서 유체 전체의 유량을 측정하는 것을 전구경식 유량계라 하며, 유로의 한 점에서 측정하는 것을 삽입식 유량계라 한다. 전구경식 유량계가 아닌 것은?

  1. 벤튜리미터
  2. 피토관
  3. 오리피스미터
  4. 로타미터
(정답률: 47%)
  • 전구경식 유량계는 유로의 전체 단면을 가로질러 유량을 측정하는 방식입니다.
    피토관은 유로의 특정 한 점에서 유속을 측정하여 유량을 산출하는 대표적인 삽입식 유량계입니다.
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6. 정류탑에서 환류비는?

  1. 공급량의 몰수/환류액의 몰수
  2. 공급량의 몰수/유출액의 몰수
  3. 환류액의 몰수/유출액의 몰수
  4. 유출액의 몰수/환류액의 몰수
(정답률: 알수없음)
  • 정류탑에서 환류비(Reflux Ratio)는 탑 상부에서 유출되는 제품의 양 대비 다시 탑 내부로 되돌려 보내는 환류액의 양의 비율을 의미합니다.
    따라서 환류액의 몰수를 유출액의 몰수로 나눈 값으로 정의합니다.
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7. 물질전달계수와 관계 없는 무차원수는?

  1. Prandtl수
  2. Schmidt수
  3. Sherwood수
  4. Reynolds수
(정답률: 55%)
  • 물질전달계수는 일반적으로 Reynolds수, Schmidt수, Sherwood수의 상관관계로 결정됩니다.
    반면 Prandtl수는 운동량 확산도와 열 확산도의 비를 나타내는 무차원수로, 열전달과 밀접한 관련이 있습니다.
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8. 화학공장이 성립되는 과정을 순서대로 나열한 것은?

  1. 계획 － 설계 － 조업 － 건설 － 보전
  2. 계획 － 조업 － 설계 － 건설 － 보전
  3. 계획 － 건설 － 설계 － 조업 － 보전
  4. 계획 － 설계 － 건설 － 조업 － 보전
(정답률: 85%)
  • 화학공장의 설립은 아이디어 단계인 계획부터 실제 운영 및 유지보수까지 논리적 순서로 진행됩니다.
    계획(Planning) $\rightarrow$ 설계(Design) $\rightarrow$ 건설(Construction) $\rightarrow$ 조업(Operation) $\rightarrow$ 보전(Maintenance) 순으로 이루어지는 것이 정석입니다.
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9. 회분식 반응기에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 반응에 필요한 원료를 한꺼번에 투입하여 일정시간 반응시킨 후, 생성물을 한꺼번에 배출시킨다.
  2. 성분의 농도가 시간에 따라 변하는 비정상 상태의 조작이다.
  3. 인건비가 저렴하고, 대량생산에 적합하다.
  4. 정밀화학제품의 생산, 신제품 시험생산 등에 많이 이용된다.
(정답률: 77%)
  • 회분식 반응기는 원료 투입부터 생성물 배출까지 시간이 걸리는 배치(Batch) 공정으로, 조작 횟수가 많아 인건비가 높고 소량 다품종 생산에 적합합니다. 따라서 인건비가 저렴하고 대량생산에 적합하다는 설명은 틀린 내용입니다.
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10. 장치 구입비를 추산할 때, 정확한 가격 자료가 없을 경우에는 용량지수와 비용지수를 사용한다. 2000년도에 20m2의 면적을 가진 열교환기를 300만원에 구입하였다. 2007년도에 60m2의 면적을 가진 열교환기의 가격을 바르게 추산한 것은? (단, 열교환기의 용량지수는 0.6이고, 2000년도에 비용지수는 460이며, 2007년도에 비용지수는 530으로 가정한다)

(정답률: 62%)
  • 장치 구입비 추산 시, 과거 가격에 비용지수 비율과 용량지수 비율을 곱하여 현재 가격을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $C_2 = C_1 \times \frac{I_2}{I_1} \times (\frac{S_2}{S_1})^n$
    ② [숫자 대입] $C_2 = 300 \times \frac{530}{460} \times (\frac{60}{20})^{0.6}$
    ③ [최종 결과]
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11. 수분과 목재로 구성된 습윤 목재 10 kg에는 4 kg의 수분이 함유되어 있다. 20무게%의 수분이 유지되도록 하려면 이 목재에서 제거해야 하는 수분의 양[kg]은?

  1. 1.5
  2. 2.5
  3. 3.5
  4. 4.5
(정답률: 67%)
  • 제거해야 할 수분의 양을 구하기 위해, 수분을 제외한 고형분(목재)의 무게는 변하지 않는다는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $W_{removed} = W_{water, initial} - \frac{W_{solid}}{1 - MC_{final}}$
    ② [숫자 대입] $W_{removed} = 4 - \frac{10 - 4}{1 - 0.2}$
    ③ [최종 결과] $W_{removed} = 2.5$
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12. 두 동심관 사이의 환상 유로에서의 상당지름은? (단, Do와 Di는 각각 환상 유로의 외경과 내경이다)

  1. Do-Di
  2. Do+Di
  3. Do-Di/4
  4. Do+Di/4
(정답률: 71%)
  • 상당지름(Equivalent Diameter)은 유체의 흐름 단면적을 원형 단면적으로 환산한 지름을 의미합니다. 환상 유로(Annulus)의 경우, 외경 $D_o$와 내경 $D_i$의 차이로 정의됩니다.
    따라서 정답은 $D_o - D_i$ 입니다.
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13. 공기는 질소와 산소의 혼합물이며 O2 21몰%, N2 79몰%로 구성되어 있다. 이를 무게%로 환산하였을 때 공기 중 산소의 대략 무게%는?

  1. 11
  2. 15
  3. 19
  4. 23
(정답률: 88%)
  • 혼합물의 몰 분율을 무게 분율로 환산하기 위해 각 성분의 분자량(산소 $32$, 질소 $28$)을 곱하여 전체 질량 대비 산소의 질량을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{산소 무게\%} = \frac{n_{O_2} \times M_{O_2}}{(n_{O_2} \times M_{O_2}) + (n_{N_2} \times M_{N_2})} \times 100$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{산소 무게\%} = \frac{21 \times 32}{(21 \times 32) + (79 \times 28)} \times 100$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{산소 무게\%} = 23$$
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14. 수평관을 통해 뉴튼 유체가 층류로 흐를 때 Hagen－Poiseuille 흐름이 된다. 관의 반지름을 1/2로 줄이고, 수평관 두 끝에 작용하는 압력차를 2배로 한다면 부피유량(volumetric flow rate)은 어떻게 변하는가? (단, 관의 길이와 유체 점도는 변하지 않고 일정하다고 가정한다)

  1. 1/16배
  2. 1/8/배
  3. 1/4배
  4. 변하지 않는다
(정답률: 74%)
  • Hagen-Poiseuille 식에서 부피유량($Q$)은 압력차($\Delta P$)에 비례하고 관 반지름($R$)의 4제곱에 비례합니다.
    ① [기본 공식]
    $$Q = \frac{\pi \Delta P R^4}{8 \mu L}$$
    ② [숫자 대입]
    $$Q_{new} = \frac{\pi (2\Delta P) (\frac{1}{2}R)^4}{8 \mu L} = \frac{2 \times \frac{1}{16} \pi \Delta P R^4}{8 \mu L}$$
    ③ [최종 결과]
    $$Q_{new} = \frac{1}{8} Q$$
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15. 점토의 진밀도가 1.5 g/cm3이고, 겉보기밀도가 1.2 g/cm3일 때 공극률은?

  1. 0.2
  2. 0.4
  3. 0.6
  4. 0.8
(정답률: 93%)
  • 공극률은 전체 부피에서 공극이 차지하는 비율을 의미하며, 진밀도와 겉보기밀도의 관계를 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{공극률} = 1 - \frac{\rho_{\bulk}}{\rho_{\true}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{공극률} = 1 - \frac{1.2}{1.5}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{공극률} = 0.2$$
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16. 흑체 복사에 대한 기본관계는 Stefan－Boltzmann법칙이다. 복사에너지, 복사면적, 절대온도와의 상호관계를 설명한 것 중 옳은 것은?

  1. 복사에너지는 복사면적에 비례하고 절대온도의 제곱에 비례한다.
  2. 복사에너지는 복사면적에 반비례하고 절대온도의 제곱에 비례한다.
  3. 복사에너지는 복사면적에 비례하고 절대온도의 네제곱에 비례한다.
  4. 복사에너지는 복사면적에 반비례하고 절대온도의 네제곱에 비례한다.
(정답률: 92%)
  • Stefan-Boltzmann 법칙에 따르면, 흑체가 단위 시간당 방출하는 총 복사에너지($E$)는 복사면적($A$)에 비례하고 절대온도($T$)의 4제곱에 비례합니다.
    $$\text{복사에너지} \propto \text{복사면적} \times T^4$$
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17. 점도, 운동점도, 밀도를 각각 μ, v, ρ라고 할 때, 이들의 관계식으로 옳은 것은?

  1. μ=ρv
  2. v=ρμ
  3. μ2=ρv
  4. v2=ρμ
(정답률: 90%)
  • 점도($\mu$)는 유체의 끈적임 정도를 나타내며, 운동점도($\nu$)는 점도를 밀도($\rho$)로 나눈 값으로 정의됩니다. 따라서 이들의 관계는 점도가 밀도와 운동점도의 곱과 같다는 식으로 표현됩니다.
    $$\mu = \rho \nu$$
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18. 밀도 50 kg/m3, 점도 0.1P인 유체가 내경 20 cm인 관내를 3m3sec의 유량으로 흐를 때, Reynolds수를 구하고 층류인지 난류인지를 구별하면? (단, π＝3으로 계산한다)

  1. 10,000, 난류
  2. 100,000, 난류
  3. 1,000, 층류
  4. 2,500, 층류도 난류도 아닌 전이영역
(정답률: 58%)
  • 레이놀즈 수는 유체의 관성력과 점성력의 비를 나타내며, 이를 통해 흐름의 상태(층류/난류)를 판별합니다.
    ① [기본 공식] $Re = \frac{\rho v D}{\mu} = \frac{\rho (\frac{Q}{A}) D}{\mu} = \frac{\rho (\frac{Q}{\pi r^2}) (2r)}{\mu} = \frac{2 \rho Q}{\pi r \mu}$
    ② [숫자 대입] $Re = \frac{2 \times 50 \times 3}{3 \times 0.1 \times 0.1}$
    ③ [최종 결과] $Re = 100000$
    레이놀즈 수가 4000보다 훨씬 크므로 난류에 해당합니다.
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19. 연속증류탑으로 무게분율 0.4인 A와 0.6인 B의 원료 10,000 kg/hr를 처리하고자 한다. 탑정으로부터 무게분율 0.94인 A와 탑저로부터 무게분율 0.96인 B로 분리하고자 할 때, 탑정유출액(D)과 탑저 유출액(B)의 각각의 양은? (단, 단위는 kg/hr이다)

  1. D＝3,000, B＝7,000
  2. D＝4,000, B＝6,000
  3. D＝5,000, B＝5,000
  4. D＝6,000, B＝4,000
(정답률: 83%)
  • 전체 물질 수지와 성분 A에 대한 물질 수지 식을 세워 유출액의 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F = D + B$ $$F z_F = D x_D + B x_B$$
    ② [숫자 대입] $10000 = D + B$ $$10000 \times 0.4 = D \times 0.94 + B \times (1 - 0.96)$$
    ③ [최종 결과] $D = 4000, B = 6000$
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20. 연속 증류탑에서 원료가 포화액체로 들어온다. 공급원료 1몰을 원료공급단에 넣었을 때, 그 중에서 탈거부로 내려가는 액체의 몰수는?

  1. 1
  2. 0과 1사이
  3. 1보다 크다
  4. 0보다 작다
(정답률: 80%)
  • 원료가 포화액체 상태로 공급된다는 것은 기화되지 않은 상태로 들어온다는 의미입니다. 따라서 공급된 원료 1몰은 모두 액체 상태로 탈거부(Stripping section)로 내려가게 되므로 액체의 몰수는 1이 됩니다.
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