9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2012-05-12)

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2012-05-12 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2012-05-12 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 기본단위를 길이 L, 질량 M, 시간 T로 표시하고 유도단위를 MxLyTz로 표현할 때, 각 물리량에 대한 유도단위의 표현으로 옳지 않은 것은?

  1. 힘 MLT-2
  2. 압력 ML-1T-2
  3. 에너지 ML2T-1
  4. 일률 ML2T-3
(정답률: 알수없음)
  • 물리량의 차원 분석을 통해 유도단위를 결정합니다.
    에너지는 힘 $\times$ 거리이므로 $MLT^{-2} \times L = ML^{2}T^{-2}$가 되어야 합니다.

    오답 노트
    에너지 $ML^{2}T^{-1}$: 시간 차수가 $-2$가 되어야 함
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2. 이동과정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 운동량 이동의 추진력은 점도차이다.
  2. Fourier 법칙은 열 이동을 서술하는 법칙이다.
  3. Newton 법칙은 운동량 이동을 서술하는 법칙이다.
  4. 열 이동의 추진력은 온도차이다.
(정답률: 알수없음)
  • 운동량 이동의 추진력은 점도차가 아니라 속도차(속도 구배)입니다.

    오답 노트
    Fourier 법칙: 열 이동 서술 법칙 (옳음)
    Newton 법칙: 운동량 이동 서술 법칙 (옳음)
    열 이동 추진력: 온도차 (옳음)
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3. 분체재료의 유동층반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유동층반응기는 분체재료의 최소유동화속도 이상에서 운전되어야 한다.
  2. 분체재료의 유동에 따른 부반응 발생이 심하다.
  3. 기체와 고체입자의 접촉이 균일하므로 제품의 질이 균일하다.
  4. 유동층반응기 내부의 압력강하는 비교적 균일하다.
(정답률: 알수없음)
  • 유동층반응기는 고체 입자가 액체처럼 유동하는 상태로, 기체와 고체의 접촉 면적이 매우 넓고 혼합이 잘 이루어집니다. 따라서 열 및 물질 전달 효율이 매우 높아 부반응이 억제되고 반응 제어가 용이하여 제품의 질이 균일해집니다.

    오답 노트
    최소유동화속도: 유동층 형성을 위한 최소한의 가스 속도 이상에서 운전 필요
    압력강하: 유동화 상태에서는 입자 무게에 의해 압력강하가 일정하게 유지됨
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4. 증류에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기화, 응축을 반복하여 비등점이 서로 다른 액체 혼합물을 분리하는 조작이다.
  2. 환류비가 감소함에 따라 단수는 감소한다.
  3. 최소환류비는 이론 단수가 무한대일 때의 환류비이다.
  4. 최적환류비는 운전비용이 최소가 되는 환류비이다.
(정답률: 알수없음)
  • 증류탑에서 환류비와 이론 단수는 반비례 관계에 있습니다. 환류비가 증가하면 분리 효율이 좋아져 필요한 이론 단수가 감소하며, 반대로 환류비가 감소하면 동일한 분리도를 얻기 위해 더 많은 단수가 필요하게 됩니다.

    오답 노트
    최소환류비: 이론 단수가 무한대일 때의 환류비
    최적환류비: 고정비(단수)와 운전비(에너지)의 합이 최소가 되는 지점
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5. 타이어의 게이지 압력이 30 psi일 때, 타이어의 절대압력은? (단, 타이어는 해수면과 동일한 높이의 지면에 있다)

  1. 약 1기압
  2. 약 2기압
  3. 약 3기압
  4. 약 4기압
(정답률: 알수없음)
  • 절대압력은 대기압에 게이지 압력을 더한 값입니다. 표준 대기압 $1 \text{ atm}$은 약 $14.7 \text{ psi}$입니다.
    ① [기본 공식] $P_{abs} = P_{atm} + P_{gauge}$
    ② [숫자 대입] $P_{abs} = 14.7 + 30$
    ③ [최종 결과] $P_{abs} = 44.7 \text{ psi} \approx 3 \text{ atm}$
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6. 20°C에서 부피유속 Q＝0.314ℓ/sec로 유체 A가 내경 D＝2cm인 수평의 원통관에서 흐를 때 발생하는 압력 구배(△P/L)는? (단, 20°C에서 A의 밀도는 1.0g/cm3, 마찰계수 f＝0.008이다)

  1. 60 (dynes cm-2)/cm
  2. 70 (dynes cm-2)/cm
  3. 80 (dynes cm-2)/cm
  4. 90 (dynes cm-2)/cm
(정답률: 알수없음)
  • 원통관 내 흐름에서 압력 구배는 하겐-푸아죄유 식 또는 마찰 손실 식을 통해 구할 수 있습니다. 유속 $v$를 먼저 구한 뒤 압력 강하 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{\Delta P}{L} = \frac{32 \mu v}{D^2} = \frac{f \rho v^2}{2D}$ (여기서 $v = \frac{Q}{A}$)
    ② [숫자 대입] $\frac{\Delta P}{L} = \frac{0.008 \times 1.0 \times (\frac{0.314}{0.785})^2}{2 \times 2}$ (단위 환산 및 계산 과정 생략)
    ③ [최종 결과] $\frac{\Delta P}{L} = 80$
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7. 유체의 성질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기체의 점도는 온도가 증가할 때 감소한다.
  2. 운동점도(kinematic viscosity)는 유체의 점도를 밀도로 나눈 값이다.
  3. 전단응력(shear stress)은 전단력(shear force)을 전단면적(shear area)으로 나누어 준 값이다.
  4. poise는 점도의 단위이며 [g/cm sec]에 해당한다.
(정답률: 알수없음)
  • 유체의 점도는 온도에 따라 다르게 반응합니다. 액체는 온도가 상승하면 분자 간 결합력이 약해져 점도가 감소하지만, 기체는 온도가 상승하면 분자 운동이 활발해져 충돌 횟수가 증가하므로 점도가 증가합니다.

    오답 노트
    운동점도: 점도를 밀도로 나눈 값
    전단응력: 전단력을 전단면적으로 나눈 값
    poise: 점도의 단위로 $g/cm \cdot sec$와 동일
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8. 유체의 종류에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Dilatant 유체는 속도 구배에 따라 점도가 증가하는 유체이다.
  2. Thixotropic 유체는 점도가 시간에 따라 증가하는 유체이다.
  3. Bingham 유체는 작은 전단응력에는 무한대로 저항하지만 전단응력이 항복점(τ0)을 넘어서면 쉽게 흐른다.
  4. Newtonian 유체는 전단응력이 속도 구배에 비례하는 유체이다.
(정답률: 알수없음)
  • Thixotropic 유체는 일정한 전단응력을 가했을 때 시간이 경과함에 따라 점도가 감소하는 유체입니다.

    오답 노트
    Dilatant 유체: 전단 속도가 증가할수록 점도가 증가함
    Bingham 유체: 항복 응력 이상에서 흐름 발생
    Newtonian 유체: 점도가 일정하며 전단응력과 속도 구배가 비례함
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9. 벤젠의 중량분율이 0.55, 톨루엔의 중량분율이 0.45인 혼합원료를 증류탑에서 2,000 kg/h로 처리하여, 탑상부에서 중량분율이 0.95인 벤젠과 탑하부에서는 중량분율이 0.85인 톨루엔으로 각각 분리하고자 할 때, 탑상부와 탑하부의 유출액량[kg/h]은? (단, 원료는 비등상태의 액으로 공급되고, 조업압력은 1 atm이다)

  1. 탑상부: 900, 탑하부: 1,100
  2. 탑상부: 1,000, 탑하부: 1,000
  3. 탑상부: 1,100, 탑하부: 900
  4. 탑상부: 1,200, 탑하부: 800
(정답률: 알수없음)
  • 전체 물질 수지와 벤젠 성분 수지를 이용하여 탑상부 유출량($D$)과 탑하부 유출량($W$)을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $F = D + W$
    $F \cdot x_F = D \cdot x_D + W \cdot x_W$
    ② [숫자 대입]
    $2000 = D + W$
    $2000 \cdot 0.55 = D \cdot 0.95 + (2000 - D) \cdot 0.15$
    ③ [최종 결과]
    $D = 1000, W = 1000$
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10. 제품의 총생산비와 제품을 판매하여 생긴 총수입이 일치하는 것을 설명하는 용어는?

  1. 고정자본투자
  2. 손익분기점
  3. 제조비
  4. 비용지수
(정답률: 알수없음)
  • 총수입과 총비용이 정확히 일치하여 이익도 손실도 발생하지 않는 지점을 손익분기점이라고 합니다.
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11. 80°C에서 순수한 톨루엔과 벤젠의 증기압이 50kPa과 100kPa이다. 톨루엔과 벤젠의 혼합용액에서 벤젠의 몰분율이 0.6일 때, 액체상과 평형을 이루는 기체상에서의 벤젠의 몰분율은? (단, 용액의 온도는 80°C이며, 이상용액이다)

  1. 0.25
  2. 0.33
  3. 0.66
  4. 0.75
(정답률: 알수없음)
  • 라울의 법칙과 달톤의 분압 법칙을 이용하여 기체상의 몰분율을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $y_{B} = \frac{x_{B} P_{B}^{sat}}{x_{B} P_{B}^{sat} + x_{T} P_{T}^{sat}}$
    ② [숫자 대입] $y_{B} = \frac{0.6 \times 100}{0.6 \times 100 + 0.4 \times 50}$
    ③ [최종 결과] $y_{B} = 0.75$
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12. 화학공정에 대한 고정자본 투자항목 중에서 직접비에 해당되지 않는 것은?

  1. 장치구입
  2. 계장 및 제어
  3. 서비스 설비
  4. 엔지니어링 및 관리비
(정답률: 알수없음)
  • 고정자본 투자비는 직접비와 간접비로 나뉩니다. 엔지니어링 및 관리비는 공장 건설을 위한 부수적인 비용으로 간접비에 해당합니다.

    오답 노트
    장치구입, 계장 및 제어, 서비스 설비: 모두 직접비 항목임
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13. Stokes 법칙에 따라 침전하는 부유물질의 속도가 작아지는 경우는? (단, 부유물질은 구형입자이다)

  1. 부유물질 입자의 밀도가 클 경우
  2. 부유물질 입자의 직경이 클 경우
  3. 처리수의 밀도가 작을 경우
  4. 처리수의 점도가 클 경우
(정답률: 알수없음)
  • Stokes 법칙에 따르면 침전 속도는 입자의 직경의 제곱과 밀도 차에 비례하고, 유체의 점도에 반비례합니다. 따라서 처리수의 점도가 클수록 침전 속도는 작아집니다.

    오답 노트
    부유물질 입자의 밀도가 클 경우: 속도 증가
    부유물질 입자의 직경이 클 경우: 속도 증가
    처리수의 밀도가 작을 경우: 밀도 차 증가로 속도 증가
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14. 흐르는 유체의 국부속도를 측정하기에 가장 적합한 것은?

  1. 피토관(pitot tube)
  2. 마노미터(manometer)
  3. 로터미터(rotameter)
  4. 오리피스미터(orifice meter)
(정답률: 알수없음)
  • 피토관(pitot tube)은 유체의 전압과 정압의 차이인 동압을 측정하여 특정 지점의 국부 속도를 측정하는 데 가장 적합한 장치입니다.
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15. A→B 반응에 대한 속도식이 －r＝kCA2로 주어져 있다. 이 반응이 정용회분식 반응기에서 90%의 전환율에 도달하기 위해 필요한 시간[min]은? (단, A의 초기농도 CA0＝2 mole /ℓ이고, 반응속도상수 k ＝0.01ℓ/ mole sec이다)

  1. 2.5
  2. 5.0
  3. 7.5
  4. 10
(정답률: 알수없음)
  • 2차 반응의 정용회분식 반응기 설계 방정식을 사용하여 필요한 시간을 계산합니다. 단, $k$의 단위가 sec이므로 최종 결과에 60을 곱해 min으로 환산합니다.
    ① $t = \frac{X}{k C_{A0} (1 - X)}$
    ② $t = \frac{0.9}{0.01 \times 2 \times (1 - 0.9)} \times \frac{1}{60}$
    ③ $t = 7.5$
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16. 100°C로 가열된 평판에 10°C의 공기를 불어넣을 때 평판을 통한 열전달률[W]은? (단, 평판의 면적은 2m2이고, 대류열전달 계수는 25W/m2°C이다)

  1. 1,125
  2. 2,250
  3. 4,500
  4. 9,000
(정답률: 알수없음)
  • 뉴턴의 냉각 법칙을 이용하여 대류 열전달률을 계산합니다.
    ① $Q = h A \Delta T$
    ② $Q = 25 \times 2 \times (100 - 10)$
    ③ $Q = 4500$
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17. 액체가 흐르고 있는 내경이 50mm이고 외경이 56mm인 파이프를 바깥쪽에서 기체로 가열하고 있다. 파이프 안쪽 액체측과 파이프 바깥쪽 기체측의 경막 열전달 계수는 각각 500 W/m2⋅°C, 40W/m2⋅°C이며 파이프의 열전도도는 60W/m oC일 때, 총괄 열전달계수[W/m2⋅°C]는? (단, 액체, 기체와 접촉하는 파이프의 면적은 같다)

  1. 0.027
  2. 0.054
  3. 18.5
  4. 36.9
(정답률: 알수없음)
  • 총괄 열전달계수는 각 층의 열전달 저항(경막 저항 및 전도 저항)의 합의 역수로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{U} = \frac{1}{h_{i}} + \frac{t}{k} + \frac{1}{h_{o}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{U} = \frac{1}{500} + \frac{0.003}{60} + \frac{1}{40}$
    ③ [최종 결과] $U = 36.9$
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18. 다음과 같은 식으로 표현되는 정상상태 1차원 열확산(thermal diffusion) 식에서 한쪽 경계면이 단열되어 있다고 가정할 때, 경계조건으로 적당한 것은? (단, k와 h는 각각 열전도도와 열전달계수이다)

  1. T=T0
(정답률: 알수없음)
  • 단열 조건이란 열전달이 일어나지 않는 상태를 의미하며, Fourier 법칙에 의해 온도 구배가 0이 되어야 합니다.
    제시된 식 $\frac{d}{dx}(k \frac{dT}{dx}) = 0$에서 경계면이 단열일 때의 조건은 다음과 같습니다.
    $$\frac{dT}{dx} = 0$$
    따라서 정답은 입니다.
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19. 열전도도(thermal conductivity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 열확산도(thermal diffusivity)는 열전도도를 밀도로 나눈 값이다.
  2. 고체의 열전도도는 액체와 기체의 열전도도보다 크다.
  3. [cal/cm⋅°C⋅sec]는 열전도도의 단위이다.
  4. 기체의 열전도도는 온도에 따라 증가한다.
(정답률: 알수없음)
  • 열확산도는 열전도도를 (밀도 $\times$ 비열)로 나눈 값입니다.

    오답 노트
    고체 열전도도: 액체/기체보다 큼 (옳음)
    열전도도 단위: $cal/cm \cdot {}^{\circ}C \cdot sec$ (옳음)
    기체 열전도도: 온도 증가 시 증가 (옳음)
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20. 표준상태에서 프로판(C3H8) 가스 1ℓ를 완전 연소시키는데 필요한 공기의 부피[ℓ]는? (단, 산소는 공기 중에 부피비율로 20% 존재한다)

  1. 1
  2. 5
  3. 25
  4. 50
(정답률: 알수없음)
  • 프로판의 완전 연소 반응식에 따라 필요한 산소량을 구한 뒤, 공기 중 산소의 비율을 적용하여 전체 공기 부피를 계산합니다.
    반응식: $C_{3}H_{8} + 5O_{2} \rightarrow 3CO_{2} + 4H_{2}O$
    ① [기본 공식] $V_{air} = \frac{V_{fuel} \times \text{산소 계수}}{0.2}$
    ② [숫자 대입] $V_{air} = \frac{1 \times 5}{0.2}$
    ③ [최종 결과] $V_{air} = 25$
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