9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2017-04-08)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2017-04-08 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2017-04-08 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 상온에서 10kg인 톱밥을 건조오븐에서 5시간 동안 완전 건조 후 무게를 측정하였더니 7.5kg이었다. 건조 전 중량기준으로 계산한 톱밥의 함수율[%]은?

  1. 10
  2. 25
  3. 50
  4. 75
(정답률: 95%)
  • 중량기준 함수율은 전체 시료 무게 대비 제거된 수분의 무게 비율로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $W = \frac{W_{wet} - W_{dry}}{W_{wet}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $W = \frac{10 - 7.5}{10} \times 100$
    ③ [최종 결과] $W = 25$
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2. 2mol%의 에테인(ethane)이 포함된 가스가 20°C, 15 atm에서 물과 접해 있다. 헨리(Henry)의 법칙이 적용 가능할 때 물에 용해된 에테인의 몰분율은? (단, 헨리 상수는 2.5 × 104atm/mole fraction으로 가정한다)

  1. 1.2 × 10-5
  2. 2.4 × 10-5
  3. 3.6 × 10-5
  4. 6.0 × 10-5
(정답률: 91%)
  • 헨리의 법칙을 이용하여 기상 분압과 액상 몰분율의 관계를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$P_{A} = H \times x_{A}$$
    ② [숫자 대입]
    $$15 \times 0.02 = 2.5 \times 10^{4} \times x_{A}$$
    ③ [최종 결과]
    $$x_{A} = 1.2 \times 10^{-5}$$
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3. 액체상태의 물과 벤젠이 층 분리되어 있고 두 성분은 모두 기－액평형을 이루고 있다. 물과 벤젠을 제외한 다른 성분은 없다고 가정할 때 자유도(degree of freedom)의 수는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 50%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 적용합니다. 성분 수 $C = 2$(물, 벤젠)이고, 상의 수 $P = 3$(물 액상, 벤젠 액상, 기상)이므로 다음과 같이 계산됩니다.
    $$F = 2 - 3 + 2$$
    $$F = 1$$
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4. 가격이 2억 원인 장치의 수명은 10년이고, 폐장치의 예상가격(salvage value)은 2천만 원이다. 정액법(straight-line method)으로 계산할 때, 이 장치의 5년 후 장부가격(book value)은?

  1. 9천만 원
  2. 1억 원
  3. 1억 1천만 원
  4. 1억 2천만 원
(정답률: 77%)
  • 정액법을 이용한 자산의 장부가격을 구하는 문제입니다. 매년 동일한 금액이 감가상각되는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $BV = C - \frac{C - S}{n} \times t$
    ② [숫자 대입] $BV = 20,000 - \frac{20,000 - 2,000}{10} \times 5$
    ③ [최종 결과] $BV = 11,000$
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5. 유량계에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 벤추리미터(venturi meter)는 오리피스미터(orifice meter)보다 압력손실이 크다.
  2. 로터미터(rotameter)는 유체가 흐르는 유로의 면적이 유량에 따라 변하도록 되어 있다.
  3. 피토관(pitot tube)은 국부 유속을 측정할 수 있는 장치이다.
  4. 자력식 유량계(magnetic meter)는 패러데이 전자기유도(electromagnetic induction) 법칙을 이용하는 장치이다.
(정답률: 68%)
  • 유량계의 특징을 묻는 문제입니다. 벤추리미터는 유로가 완만하게 변화하여 압력 손실이 매우 적은 반면, 오리피스미터는 급격한 단면 변화로 인해 압력 손실이 큽니다.

    오답 노트
    로터미터: 부자(float)의 위치에 따라 유로 면적이 변함
    피토관: 정압과 전압의 차이로 국부 유속 측정
    자력식 유량계: 전도성 유체가 자기장을 지날 때 발생하는 기전력 이용
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6. 정지유체(still fluid) 중에서 낙하하는 입자의 운동에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 정지유체 중에서 낙하하는 입자에는 중력, 부력, 항력의 세 가지 힘이 작용한다.
  2. 입자가 용기의 경계 및 다른 입자로부터 충분히 떨어져 있어서 그 낙하가 영향을 받지 않을 때 자유침강이라 한다.
  3. 입자가 서로 충돌하지는 않아도 한 입자의 운동이 다른 입자들에 의해 영향을 받을 때 간섭침강이라 한다.
  4. 간섭침강에서의 항력계수는 자유침강에서의 항력계수보다 작다.
(정답률: 82%)
  • 입자의 침강 특성에 관한 이론 문제입니다. 간섭침강은 입자 간의 상호작용으로 인해 유체의 흐름이 방해받아 저항이 증가하는 현상입니다.
    따라서 간섭침강에서의 항력계수는 자유침강에서의 항력계수보다 큽니다.
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7. 온도가 일정하게 유지되고 있는 지름 10 cm인 구형(sphere) 열원이 두께가 15 cm이고 열전도도가 0.5W/m°C인 단열재로 덮여있다. 정상상태에서 전도에 의한 열흐름 속도가 30W이고, 단열재 외부 표면 온도가 25 °C로 일정하게 유지될 때 열원과 접하고 있는 단열재 내부 표면의 온도[°C]는? (단, π＝3으로 가정한다)

  1. 70
  2. 80
  3. 90
  4. 100
(정답률: 73%)
  • 구형 껍질의 정상상태 열전도 공식을 이용하여 내부 표면 온도를 구하는 문제입니다.
    구형 벽의 열전달 속도 공식을 사용하여 내부 온도 $T_i$를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{4 \pi k (T_i - T_o)}{\frac{1}{r_i} - \frac{1}{r_o}}$
    ② [숫자 대입] $30 = \frac{4 \times 3 \times 0.5 \times (T_i - 25)}{\frac{1}{0.05} - \frac{1}{0.05 + 0.15}}$
    ③ [최종 결과] $T_i = 100$
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8. 반경(R)이 10 cm인 고체 구(sphere)를 뜨거운 용액에 넣었을 때, 비정상상태에서의 구 내부 온도분포를 다음 그래프를 이용하여 구하고자 한다. 여기서, α는 열확산도(thermal diffusivity), T0는 고체 구의 초기 온도, T1은 뜨거운 용액의 온도, T는 임의의 시간에서 구 내부의 온도, r은 고체 구 중심으로부터의 거리[cm], t는 경과시간[s]을 나타낸다. 고체 구의 중심(r＝0) 온도가 93.5 °C에 도달할 때 걸리는 시간(t)은? (단, α＝20cm2/s, T0＝50°C, T1＝200°C이고, 용액의 온도변화는 무시하며 구의 표면온도는 용액의 온도와 같다고 가정한다)

  1. 0.1s
  2. 0.5s
  3. 1s
  4. 2s
(정답률: 63%)
  • 구 중심($r=0$)에서의 무차원 온도 값을 그래프에서 찾아 경과 시간 $t$를 산출하는 문제입니다.
    먼저 주어진 조건으로 무차원 온도를 계산합니다.
    $$\frac{T - T_0}{T_1 - T_0} = \frac{93.5 - 50}{200 - 50} = \frac{43.5}{150} = 0.29$$
    그래프의 $r/R = 0$ 지점에서 세로축 값이 $0.29$가 되는 곡선을 찾으면 $\frac{\alpha t}{R^2} = 0.2$ 임을 알 수 있습니다. 이를 통해 시간 $t$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{\alpha t}{R^2} = 0.2$
    ② [숫자 대입] $\frac{20 \times t}{10^2} = 0.2$
    ③ [최종 결과] $t = 1 \times 0.5 = 0.5\text{ s}$
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9. 복사(radiation)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 흑체(black body)는 주어진 온도에서 최대의 방사율(emissivity)을 가진다.
  2. 정반사(specular reflection)가 일어나는 물체 표면에서 반사율은 거의 1이며, 흡수율은 0에 가깝다.
  3. 불투명 고체의 반사율과 흡수율의 합은 1이다.
  4. 회색체(gray body)는 파장에 따라 단색광 방사율이 변한다.
(정답률: 72%)
  • 회색체(gray body)는 방사율이 파장에 관계없이 일정하다고 가정하는 가상의 물체입니다.

    오답 노트
    흑체: 모든 파장의 복사 에너지를 완전히 흡수하고 방출하는 이상적인 물체이므로 방사율이 1로 최대입니다.
    정반사: 표면에서 빛이 그대로 튕겨 나가므로 반사율은 1에 가깝고 흡수율은 0에 수렴합니다.
    불투명 고체: 투과율이 0이므로 반사율과 흡수율의 합은 1이 됩니다.
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10. 비중이 1.0이고 점도가 4cP인 유체를 내경이 8cm인 파이프를 통해 20cm/s의 유속으로 흘릴 때 Reynolds 수(Re)는?

  1. 40
  2. 800
  3. 4,000
  4. 8,000
(정답률: 87%)
  • 유체의 흐름 특성을 결정하는 레이놀즈 수는 밀도, 유속, 관경, 점도의 관계식으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Re = \frac{\rho v d}{\mu}$
    ② [숫자 대입] $Re = \frac{1000 \times 0.2 \times 0.08}{0.004}$
    ③ [최종 결과] $Re = 4000$
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11. 액－액 추출에 사용되는 장치가 아닌 것은?

  1. 혼합침강기(mixer-settler)
  2. 맥동탑(pulse column)
  3. 충전탑(packed column)
  4. 이동상 추출기(moving-bed extractor)
(정답률: 48%)
  • 액-액 추출은 서로 섞이지 않는 두 액체 상 사이의 용질 이동을 이용하는 조작입니다. 혼합침강기, 맥동탑, 충전탑은 대표적인 액-액 추출 장치이지만, 이동상 추출기는 일반적인 액-액 추출 장치 분류에 해당하지 않습니다.
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12. Prandtl 수(Pr)는 이동현상에서 전달되는 두 물리량의 확산도 (diffusivity) 비교에 유용한 무차원수 중의 하나이다. Pr가 1보다 클 때의 확산도를 비교한 것으로 옳은 것은?

  1. 열 확산도(thermal diffusivity)가 물질 확산도(mass diffusivity)보다 크다.
  2. 물질 확산도가 열 확산도보다 크다.
  3. 열 확산도가 운동량 확산도(momentum diffusivity)보다 크다.
  4. 운동량 확산도가 열 확산도보다 크다.
(정답률: 75%)
  • Prandtl 수는 운동량 확산도(점성)와 열 확산도의 비로 정의되는 무차원수입니다.
    $$Pr = \frac{\nu}{\alpha}$$ (여기서 $\nu$는 운동량 확산도, $\alpha$는 열 확산도)
    따라서 $Pr > 1$인 경우, 분자인 운동량 확산도가 분모인 열 확산도보다 큽니다.
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13. 벤젠 70mol%, 톨루엔 30mol%의 혼합액이 100mol/h의 유량으로 증류탑에 공급된다. 이 혼합액이 벤젠 90 mol %인 탑상제품 (top product)과 10 mol%의 탑저제품(bottom product)으로 분리 될 때 탑상제품의 유량[mol/h]은?

  1. 25
  2. 50
  3. 75
  4. 82
(정답률: 82%)
  • 전체 물질 수지식과 벤젠 성분에 대한 성분 수지식을 연립하여 탑상제품의 유량을 구합니다.
    ① [기본 공식] $F = D + B, F z_F = D x_D + B x_B$
    ② [숫자 대입] $100 = D + B, 100 \times 0.7 = D \times 0.9 + (100 - D) \times 0.1$
    ③ [최종 결과] $D = 75$
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14. 고체 수평면과 평행으로 흐르는 액체의 유속(u)이 수평면으로부터 y인 위치에서 u[m/s]＝10 y－y2의 분포로 흐르고 있다. 액체의 점도가 0.0015 Paㆍs이고 뉴턴의 점성법칙을 따른다고 가정할 때, 평면 위(y＝0)에서 액체의 전단응력[Pa]은?

  1. 0.008
  2. 0.015
  3. 0.042
  4. 0.058
(정답률: 90%)
  • 뉴턴의 점성법칙에 따라 전단응력은 점도와 속도 기울기(전단율)의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \mu \frac{du}{dy}$
    ② [숫자 대입] $\tau = 0.0015 \times (10 - 2y)|_{y=0} = 0.0015 \times 10$
    ③ [최종 결과] $\tau = 0.015$
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15. 흡착에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄹ
  4. ㄷ, ㄹ
(정답률: 87%)
  • 흡착은 분자 간의 상호작용이나 크기 차이를 이용해 특정 성분을 분리하는 현상입니다.
    흡착을 이용한 분리는 분자량, 모양, 극성 차이 또는 기공 크기 차이를 이용하며, 흡착제는 높은 선택성과 큰 표면적, 내마모성이 요구됩니다.

    오답 노트
    화학흡착: 반데르발스 힘이 아닌 강한 화학 결합을 통한 가역적/비가역적 현상임
    랭뮤어 흡착등온선: 비가역적이 아닌 가역적 단분자층 흡착을 설명하는 식임
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16. 개방된 대형 물탱크에 물이 20 m 높이로 들어있다. 물탱크의 바닥에 면적이 2cm2인 노즐이 설치되어 있다. 이 노즐을 통한 물의 초기 배출 유량[L/s]은? (단, 모든 마찰 손실은 무시하며, 중력가속도는 10m/s2로 가정한다)

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 85%)
  • 베르누이 방정식에 의해 노즐에서의 배출 속도를 구한 뒤, 단면적을 곱하여 유량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $v = \sqrt{2gh}, Q = A \times v$
    ② [숫자 대입] $v = \sqrt{2 \times 10 \times 20} = 20, Q = 2 \times 10^{-4} \times 20$
    ③ [최종 결과] $Q = 0.004 \text{ m}^3/\text{s} = 4 \text{ L/s}$
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17. 공업용 반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 반회분 반응기(semi-batch reactor)와 연속 교반탱크 반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR)는 주로 액상반응에 사용된다.
  2. 반회분 반응기는 기체가 액체를 통하여 기포를 만들면서 연속적으로 통과하는 2상 반응에서도 사용이 가능하다.
  3. 반응기 부피당 전화율은 연속 교반탱크 반응기가 관형 반응기(tubular reactor)보다 크다.
  4. 관형 반응기는 반응기 내의 온도조절이 어려우며, 발열반응의 경우 국소 고온점(hot spot)이 생길 수 있다.
(정답률: 81%)
  • 동일한 부피와 조건에서 반응 속도가 농도에 비례하는 일반적인 반응의 경우, 농도가 높게 유지되는 관형 반응기(tubular reactor)가 연속 교반탱크 반응기(CSTR)보다 반응기 부피당 전화율이 더 큽니다.

    오답 노트
    반회분 및 CSTR 액상 사용: 적절함
    반회분 2상 반응 사용: 적절함
    관형 반응기 온도조절 및 hot spot: 적절함
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18. 연속 분별증류탑(continuous fractionating column)에서 메탄올 수용액을 원료로 하여 메탄올 몰분율이 0.7인 탑상제품을 얻었다. 환류비(reflux ratio)가 3일 때 정류부(rectifying section)의 조작선을 나타내는 식은?

  1. yn+1=0.75xn+0.175
  2. yn+1=0.75xn-0.175
  3. yn+1=-0.75xn+0.175
  4. yn+1=0.75xn+0.75
(정답률: 85%)
  • 정류부의 조작선 식은 환류비 $R$과 탑상제품의 몰분율 $x_D$를 이용하여 다음과 같이 정의됩니다.
    ① [기본 공식] $y_{n+1} = \frac{R}{R+1}x_n + \frac{x_D}{R+1}$
    ② [숫자 대입] $y_{n+1} = \frac{3}{3+1}x_n + \frac{0.7}{3+1}$
    ③ [최종 결과] $y_{n+1} = 0.75x_n + 0.175$
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19. A와 B의 2성분계 혼합물(binary mixture)에서 성분 A의 확산이 성분 B의 몰유량(molar flow)과 양이 같으면서 반대방향이 되어 알짜 몰유량(net molar flow)이 없는 경우로 해석될 수 있는 단위조작 공정은?

  1. 흡착(adsorption)
  2. 흡수(absorption)
  3. 정류(rectification)
  4. 추출(extraction)
(정답률: 75%)
  • 정류(rectification) 공정은 증류탑 내에서 상승하는 기상과 하강하는 액상 사이의 물질전달이 일어나며, 성분 A와 B가 서로 반대 방향으로 확산되어 알짜 몰유량이 0인 등몰 반대 확산(equimolar counter-diffusion) 모델로 해석할 수 있습니다.
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20. 투석 막(dialysis membrane)을 사이에 두고 액체 B와 액체 C가 각각 흐르고, 성분 A가 투석 막을 통해 액체 B에서 액체 C로 전달된다. 다음의 자료와 같을 때, 물질전달 속도를 가장 크게 증가시킬 수 있는 방법은? (단, 투석 막의 두께 및 면적은 각각 200 μm 및 1m2이며, 액체 B와 액체 C에서 A의 농도는 각각 5.0M 및 0.1M로 일정하게 유지된다)

  1. 액체 B의 유량을 4배로 증가시킨다.
  2. 막의 두께를 절반으로 줄인다.
  3. 막에서의 성분 A의 유효확산계수를 절반으로 낮춘다.
  4. 액체 C의 유량을 2배로 증가시킨다.
(정답률: 74%)
  • 물질전달 속도는 전체 물질전달계수 $K$에 비례하며, $K$의 역수는 각 층의 저항 합과 같습니다. 주어진 조건에서 막 저항은 $\frac{\delta}{D_{eff}} = \frac{200 \times 10^{-6}}{1.0 \times 10^{-9}} = 2 \times 10^{5}$이며, 액체 층 저항은 $\frac{1}{k_B} + \frac{1}{k_C} = \frac{1}{5.0 \times 10^{-4}} + \frac{1}{2.0 \times 10^{-4}} = 7 \times 10^{3}$입니다. 막 저항이 지배적이므로 막의 두께를 절반으로 줄이는 것이 전체 저항을 가장 크게 감소시켜 물질전달 속도를 가장 효과적으로 증가시킵니다.
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