9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2023-04-08)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2023-04-08 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2023-04-08 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 서로 다른 단위로 표현된 값 중에서 가장 낮은 압력을 나타내는 것은?

  1. 1.0atm
  2. 10.0kPa
  3. 30.0psi
  4. 380Torr
(정답률: 55%)
  • 겉보기 밀도는 분체가 채워진 전체 부피에 대한 분체의 실제 질량으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\rho_{app} = \frac{m}{V}$ 겉보기 밀도 = 질량 / 부피
    ② [숫자 대입] $\rho_{app} = \frac{0.3\text{ kg}}{(0.1\text{ m}) \times (0.1\text{ m}) \times (0.1\text{ m})}$
    ③ [최종 결과] $\rho_{app} = 300\text{ kg/m}^3$
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2. 화학공학 엔지니어는 최적의 공정을 설계하기 위해서 여러 가지 형태의 비용에 대해 충분히 이해할 필요가 있다. 이러한 비용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 총생산비용은 생산속도에 비례하여 증가하지만, 고정비용은 일정하다.
  2. 총생산비용과 총수입이 같아지는 지점을 손익분기점이라고 한다.
  3. 최적의 생산속도는 손익분기점에 해당하는 것보다 더 높아야 한다.
  4. 순이익은 제품 판매에 의한 총수입에서 총생산비용을 뺀 값이다.
(정답률: 50%)
  • 순이익은 총수입에서 총생산비용뿐만 아니라 세금, 이자 비용 등을 모두 제외한 최종 이익을 의미합니다. 단순히 총수입에서 총생산비용을 뺀 값은 영업이익 또는 총이익에 해당합니다.
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3. 연속 분별증류탑에서 환류비가 무한대일 때에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유출액이 전부 탑으로 환류되어 제품의 생산이 없는 상태가 된다.
  2. 두 조작선이 x－y 선도에서 기울기가 1인 대각선과 일치한다.
  3. 단수는 최대가 된다.
  4. 이 조건을 전환류라고 한다.
(정답률: 59%)
  • 환류비가 무한대인 전환류(Total Reflux) 상태에서는 유출액이 모두 탑으로 되돌아가 제품 생산이 없으며, 조작선이 $x=y$ 대각선과 일치하게 됩니다. 이때 평형선과 조작선 사이의 간격이 최대가 되어 필요한 이론 단수는 최소가 됩니다.

    오답 노트
    단수는 최대가 된다: 최소 단수가 된다.
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4. 평평한 욕조에서 밑면의 배출구를 통해 28ms-1의 유속으로 물이 배출되고 있다. 외부에서 욕조로 공급되는 물에 의해 욕조의 바닥으로부터 욕조 내 수면의 높이가 변화 없이 일정하게 유지된다고 가정할 때, 욕조 내 수면의 높이[m]는? (단, 정상상태의 에너지 손실이 없는 흐름으로 가정하고, 욕조의 수면과 배출구에서 압력은 대기압으로 같고, 중력가속도는 9.8ms-2이다)

  1. 20
  2. 40
  3. 60
  4. 80
(정답률: 62%)
  • 에너지 손실이 없는 정상상태 흐름에서 베르누이 방정식을 적용하면, 수면의 높이와 배출 유속 사이의 관계를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $h = \frac{v^{2}}{2g}$
    ② [숫자 대입] $h = \frac{28^{2}}{2 \times 9.8}$
    ③ [최종 결과] $h = 40$
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5. 상변화 없는 유체의 열전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 경계층 이론에 따르면, Prandtl 수가 1보다 클 때 운동량확산계수가 열확산계수보다 크다.
  2. 층류(laminar flow)에서의 강제대류(forced convection) 열확산에서 Nusselt 수는 Reynolds 수와 Prandtl 수의 함수로 표현된다.
  3. Peclet 수가 아주 크면 전도에 의한 열전달은 무시할 수 있다.
  4. Nusselt 수는 전도 열전달/대류 열전달 에 해당된다.
(정답률: 40%)
  • Nusselt 수는 대류 열전달과 전도 열전달의 비를 나타내는 무차원 수입니다. 즉, 전도 열전달이 아닌 대류 열전달/전도 열전달의 비로 정의됩니다.

    오답 노트
    Prandtl 수가 1보다 크면 운동량 확산이 열 확산보다 빠르게 일어납니다.
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6. 물질전달에서 중요한 의미를 가지는 무차원 군에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Schmidt 수는 운동량의 분자확산도와 물질의 분자확산도 간의 비를 나타낸다.
  2. Schmidt 수는 열전달의 Prandtl 수에 대응되는 개념이다.
  3. Sherwood 수는 분자 물질전달저항과 유체의 대류 물질전달저항의 비를 나타낸다.
  4. Sherwood 수는 열전달의 Euler 수에 대응되는 개념이다.
(정답률: 42%)
  • Sherwood 수는 물질전달에서의 무차원 수로, 열전달의 Nusselt 수에 대응되는 개념입니다. Euler 수와는 관계가 없습니다.

    오답 노트
    Schmidt 수는 Prandtl 수에 대응되며, 운동량 확산도와 물질 확산도의 비를 나타내는 것이 맞습니다.
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7. 관 입구에서부터 경계층이 관의 중심에 도달하여 완전 발달 흐름이 되기까지의 거리를 전이길이(transition length)라 한다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 층류의 경우 전이길이는 관 지름의 제곱에 비례한다.
  2. 층류의 경우 전이길이는 유체의 점도에 반비례한다.
  3. 유입되는 유체가 난류이고 관 내부의 유속이 임계유속보다 크면, 전이길이는 Reynolds 수의 1/2 제곱에 비례한다.
  4. 층류의 경우 유체의 속도가 빠르면 전이길이는 길어진다.
(정답률: 40%)
  • 난류 흐름에서 전이길이는 Reynolds 수에 반비례하는 경향을 보이며, $Re^{1/2}$에 비례한다는 설명은 옳지 않습니다.

    오답 노트
    층류 전이길이는 관 지름의 제곱에 비례하고 점도와 속도에 영향을 받으므로 나머지 설명은 적절합니다.
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8. 펌프에 의해 평판 위 층류흐름이 발생한 경우, 평판 위 유동의 시작부분인 평판 입구에서부터 xm만큼 떨어진 곳에서의 국소 대류 열전달 계수(h국소)가 h국소＝x2Wm-2K-1이고, 평판 입구에서 출구까지의 평균 대류 열전달 계수(h평균)가 12Wm-2K-1일 때, 평판의 총길이[m]는?

  1. 2
  2. 4
  3. 6
  4. 8
(정답률: 47%)
  • 평균 대류 열전달 계수는 국소 대류 열전달 계수를 전체 길이에 대해 적분하여 평균을 낸 값입니다.
    ① [기본 공식] $h_{avg} = \frac{1}{L} \int_{0}^{L} h_{loc} dx$
    ② [숫자 대입] $12 = \frac{1}{L} \int_{0}^{L} x^{2} dx = \frac{1}{L} [ \frac{1}{3}x^{3} ]_{0}^{L} = \frac{1}{3}L^{2}$
    ③ [최종 결과] $L = 6$
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9. 물질의 이송 및 처리에 사용하는 장치에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 왕복펌프는 기계의 회전운동으로 유체를 정방향으로 수송하는 펌프이다.
  2. 오리피스는 면적 유량계, 로타미터는 압력차 유량계이다.
  3. 압축기의 효율은 등온효율이 등엔트로피 효율보다 높다.
  4. 스팀－제트 이젝터(steam-jet ejector)는 진공시스템을 만들기 위해 사용된다.
(정답률: 50%)
  • 스팀-제트 이젝터는 고속의 증류 분사를 통해 주변 기체를 함께 끌고 나가게 함으로써 시스템 내부를 진공 상태로 만드는 장치입니다.

    오답 노트
    왕복펌프: 회전운동이 아닌 왕복 직선운동을 이용함
    오리피스/로타미터: 오리피스는 압력차 유량계, 로타미터는 면적 유량계임
    압축기 효율: 일반적으로 등엔트로피 효율이 기준이 되며 공정 조건에 따라 다름
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10. 다중－효용관 증발기를 조작할 때, 각 효용관마다 펌프시설을 필요로 하는 급액 방식은?

  1. 역류식 급액
  2. 순류식 급액
  3. 병류식 급액
  4. 혼합류식 급액
(정답률: 73%)
  • 역류식 급액 방식은 액체가 마지막 효용관에서 첫 번째 효용관 방향으로 흐르므로, 각 단계의 압력 차이를 극복하기 위해 효용관마다 별도의 펌프 시설이 필요합니다.
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11. 한 모서리의 길이가 10cm인 정육면체 용기에 입자 밀도 2,000kgm-3인 분체를 가득 채웠다. 용기에 채워진 분체의 질량이 300g이라면 이 분체의 겉보기 밀도[kgm-3]는?

  1. 300
  2. 400
  3. 500
  4. 600
(정답률: 54%)
  • 겉보기 밀도는 분체가 채워진 전체 부피에 대한 분체의 실제 질량으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\rho_{app} = \frac{m}{V}$ 겉보기 밀도 = 질량 / 부피
    ② [숫자 대입] $\rho_{app} = \frac{0.3\text{ kg}}{(0.1\text{ m}) \times (0.1\text{ m}) \times (0.1\text{ m})}$
    ③ [최종 결과] $\rho_{app} = 300\text{ kg/m}^3$
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12. 점도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 일반적으로 온도가 올라가면 액체의 점도는 감소하고 기체의 점도는 증가한다.
  2. 하수슬러지와 같이 임계전단응력 이상이 되어야 비로소 흐르기 시작하는 액체를 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)라고 한다.
  3. 점도 1cP는 10-3Pas와 같다.
  4. 20°C 물의 점도는 약 1cP이다.
(정답률: 67%)
  • 임계전단응력 이상이 되어야 흐르기 시작하는 유체는 빙함유체(Bingham plastic)입니다. 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)는 전단응력이 증가함에 따라 점도가 감소하는 전단 희석 유체를 의미합니다.

    오답 노트
    온도 영향: 액체는 온도 상승 시 점도 감소, 기체는 점도 증가가 맞음
    단위 변환: $1\text{ cP} = 10^{-3}\text{ Pa}\cdot\text{s}$가 맞음
    물 점도: $20\text{°C}$ 물의 점도는 약 $1\text{ cP}$가 맞음
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13. 2성분계 증류에서 계의 평형상태를 정의하기 위해 고정되어야 하는 독립적 세기변수의 수는?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 55%)
  • 깁스의 상 규칙(Gibbs Phase Rule) $F = C - P + 2$를 적용합니다. 2성분계($C=2$) 증류 평형에서는 기상과 액상의 2상($P=2$)이 공존하므로, 자유도 $F = 2 - 2 + 2 = 2$가 되어 2개의 독립 변수가 고정되어야 합니다.
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14. 비압축성의 뉴튼 유체가 원통형 관을 흐르는 Hagen-Poiseuille 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 정상상태의 층류 흐름이다.
  2. 내측 벽면에서 유체의 속도를 0으로 하는 노 슬립(no slip) 조건을 적용한다.
  3. 점도가 2배가 되면 평균 유속은 1/2배가 된다.
  4. 원통형 관 중심에서의 유속은 평균 유속의 4배와 같다.
(정답률: 70%)
  • Hagen-Poiseuille 흐름에서 관 중심의 최대 유속은 평균 유속의 2배입니다.

    오답 노트
    정상상태의 층류 흐름: 정의에 부합함
    노 슬립 조건: 벽면에서 속도는 0임
    점도와 유속: 유속은 점도에 반비례함
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15. 동일한 재질의 벽을 두 겹으로 쌓아서 평평한 가열로 벽(flat furnace wall)을 축조하였다. 가열로 내부의 온도는 650°C, 가열로 외부의 온도는 50°C로 유지되며, 벽의 열전도도는 1.0Wm-1°C-1이고 벽 한 층의 두께는 각각 0.1m이다. 두 겹의 벽 층 사이에 접촉이 불량하여 접촉 저항(contact resistance)이 0.2°Cm2W-1라 할 때, 단위 면적당 열 손실량[Wm-2]은?

  1. 500
  2. 1,000
  3. 1,500
  4. 2,000
(정답률: 37%)
  • 단위 면적당 열 손실량은 전체 열저항의 합을 온도 차이로 나누어 계산합니다. 벽 두 층의 전도 저항과 그 사이의 접촉 저항을 모두 합산하여 적용합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{\Delta T}{\frac{L_1}{k} + R_c + \frac{L_2}{k}}$
    ② [숫자 대입] $q = \frac{650 - 50}{\frac{0.1}{1.0} + 0.2 + \frac{0.1}{1.0}}$
    ③ [최종 결과] $q = 1500$
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16. 1차 비가역 균일계 액상반응(A→B)이 부피가 V인 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 진행된다. 반응기 입구에서 공급되는 A의 농도가 1.2molL-1이고, 반응기 출구에서 A의 농도는 0.4molL-1이다. 동일한 반응조건에서 같은 반응물(A)을 부피가 절반( V)인 두 개의 연속교반탱크반응기(CSTR)를 직렬로 연결하여 반응을 진행할 때, 두 번째 반응기 출구에서의 A의 농도[molL-1]는?

  1. 0.3
  2. 0.4
  3. 0.5
  4. 0.6
(정답률: 알수없음)
  • 1차 반응 CSTR에서 체류시간 $\tau$와 농도의 관계를 이용합니다. 단일 반응기에서 $\tau = \frac{C_{A0} - C_{A1}}{k C_{A1}}$이며, 부피가 절반인 두 개의 반응기를 직렬로 연결하면 각 반응기의 체류시간은 $\frac{\tau}{2}$가 됩니다.
    첫 번째 반응기 출구 농도 $C_{A1}'$은 $\frac{C_{A0}}{1 + k(\frac{\tau}{2})}$, 두 번째 반응기 출구 농도 $C_{A2}'$은 $\frac{C_{A1}'}{1 + k(\frac{\tau}{2})} = \frac{C_{A0}}{(1 + k\frac{\tau}{2})^2}$입니다.
    단일 반응기 조건에서 $1 + k\tau = \frac{1.2}{0.4} = 3$이므로 $k\tau = 2$입니다.
    ① [기본 공식] $C_{A2} = \frac{C_{A0}}{(1 + \frac{k\tau}{2})^2}$
    ② [숫자 대입] $C_{A2} = \frac{1.2}{(1 + \frac{2}{2})^2} = \frac{1.2}{2^2}$
    ③ [최종 결과] $C_{A2} = 0.3$
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17. 두 화합물 A와 B가 반응하여 C와 D를 생성하는 반응이 회분식 반응기에서 진행된다. 반응 종료 시 한계반응물의 전화율이 50%일 때, C의 몰분율은? (단, 초기에 반응기에는 40mol%의 A와 50mol%의 B 및 반응에 참여하지 않는 비활성 물질 I가 10mol% 존재한다)

  1. 0.1
  2. 0.2
  3. 0.3
  4. 0.4
(정답률: 59%)
  • 반응식 $A + B \rightarrow C + D$에서 초기 몰수는 $A=40$, $B=50$, $I=10$이며, 한계반응물은 $A$입니다. 전화율이 $50\%$이므로 반응한 $A$의 양은 $40 \times 0.5 = 20\text{ mol}$이며, 생성된 $C$의 양 또한 $20\text{ mol}$입니다.
    반응 후 전체 몰수는 $A(20) + B(30) + C(20) + D(20) + I(10) = 100\text{ mol}$입니다.
    ① [기본 공식] $y_C = \frac{n_C}{n_{total}}$
    ② [숫자 대입] $y_C = \frac{20}{100}$
    ③ [최종 결과] $y_C = 0.2$
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18. 화학공정 플랜트의 고정비에 해당되지 않는 것은?

  1. 원료비
  2. 임대
  3. 재산세
  4. 보험
(정답률: 64%)
  • 고정비는 생산량과 관계없이 일정하게 발생하는 비용(임대료, 세금, 보험료 등)을 말합니다. 반면 원료비는 생산량에 비례하여 증가하는 대표적인 가변비(변동비)입니다.
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19. 향류(countercurrent) 이중관 열교환기를 이용해서 난방수를 1.5kgs-1의 질량 유속으로 20°C에서 70°C까지 가열하고자 한다. 열교환기의 총괄열전달계수가 600Wm-2K-1이고 열전달 면적은 5m2라면, 이 열교환기의 대수평균온도차[K]는? (단, 물의 비열은 4kJkg-1K-1이고, 뜨거운 유체의 상변화는 없다)

  1. 10
  2. 50
  3. 100
  4. 200
(정답률: 50%)
  • 열전달량 $Q$를 먼저 구한 뒤, 총괄열전달 방정식 $Q = U A \Delta T_{lm}$을 이용하여 대수평균온도차를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$Q = \dot{m} C_p \Delta T$$
    $$Q = U A \Delta T_{lm}$$
    ② [숫자 대입]
    $$Q = 1.5 \times 4000 \times (70 - 20) = 300000$$
    $$300000 = 600 \times 5 \times \Delta T_{lm}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta T_{lm} = 100$$
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20. 확산계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. m2s-1의 SI 단위를 갖는다.
  2. 기체상 확산계수는 전체압력에 비례한다.
  3. 기체상 확산계수는 절대온도의 3/2 제곱에 비례한다.
  4. 기체상 확산계수는 분자량이 증가할수록 감소한다.
(정답률: 62%)
  • 기체상 확산계수 $D_{AB}$는 전체 압력 $P$에 반비례하며, 절대온도 $T$의 $3/2$ 제곱에 비례하고 분자량이 증가할수록 감소하는 특성을 가집니다.

    오답 노트
    기체상 확산계수는 전체압력에 비례한다: 반비례한다.
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