9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2019-06-15)

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2019-06-15 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2019-06-15 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 파스칼(Pa)과 같은 압력 단위는?

  1. kg/mㆍs2
  2. kgㆍm2/s2
  3. kgㆍm2/s3
  4. kgㆍm/s2
(정답률: 96%)
  • 압력의 정의는 단위 면적당 작용하는 힘입니다. 힘의 단위는 $N = kg \cdot m/s^{2}$이고, 면적의 단위는 $m^{2}$이므로 이를 조합하면 다음과 같습니다.
    $$\text{Pa} = \frac{N}{m^{2}} = \frac{kg \cdot m/s^{2}}{m^{2}} = kg/m \cdot s^{2}$$
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2. 다음 그래프는 등온 정압 조건에서 유체의 전단속도(shear rate)와 전단응력(shear stress)의 관계를 나타낸다. 4가지 유형(a～d) 중 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)는?

  1. a
  2. b
  3. c
  4. d
(정답률: 88%)
  • 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)는 전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 전단 희박(shear thinning) 특성을 가지며, 그래프상에서 원점을 지나며 위로 볼록한 곡선 형태를 나타냅니다.

    오답 노트
    a: 항복 응력이 존재하는 빙햄 유체
    c: 뉴턴 유체(직선)
    d: 전단속도가 증가할수록 점도가 증가하는 딜레이턴트 유체
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3. 화학공장의 경제성 평가와 관련한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 운전비용은 장치를 운전하고 공정을 운영하는 데 들어가는 비용으로 원료비, 유지보수 비용 등을 포함한다.
  2. 투자자본수익률(Return on Investment)은 초기 투자비용 대비 매년 지출하는 비용의 비율이다.
  3. 정액법은 매 회계기간에 동일한 금액을 상각하는 감가상각 방법이다.
  4. 감가상각(depreciation)은 자산의 원가를 내용연수 동안 합리적이고 체계적인 방법으로 배분하는 과정이다.
(정답률: 70%)
  • 투자자본수익률(Return on Investment)은 초기 투자비용 대비 매년 지출하는 비용의 비율이 아니라, 투자한 자본에 대해 얼마나 많은 '순이익'을 얻었는지를 나타내는 지표입니다.

    오답 노트
    운전비용: 원료비, 유지보수비 등을 포함하는 운영 비용이 맞음
    정액법: 매기 동일 금액을 상각하는 방식이 맞음
    감가상각: 자산 원가를 내용연수 동안 배분하는 과정이 맞음
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4. 어느 한 온도에서 기체분자가 고체표면에 흡착될 때, 압력에 따른 흡착분율(fractional coverage)의 변화를 흡착 등온식(adsorption isotherm)이라 한다. 다음 가정에 의해 얻어진 흡착 등온식은?

  1. Langmuir 등온식
  2. BET 등온식
  3. Temkin 등온식
  4. Freundlich 등온식
(정답률: 74%)
  • 제시된 이미지 의 조건인 단분자층 흡착, 균일한 흡착 자리, 흡착 분자 간 상호작용 없음은 Langmuir 등온식의 핵심 가정입니다.
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5. 글루코오스(C6H12O6) 1몰의 완전연소 반응에 필요한 산소(O2)의 몰수와 생성되는 이산화탄소(CO2)의 몰수[mol]는? (순서대로 O2, CO2)

  1. 3, 3
  2. 3, 6
  3. 6, 3
  4. 6, 6
(정답률: 89%)
  • 글루코오스의 완전연소 반응식의 계수를 맞추어 필요한 산소와 생성되는 이산화탄소의 몰수를 구하는 문제입니다.
    반응식: $C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O$
    ① [기본 공식] $C_{6}H_{12}O_{6} + nO_{2} \rightarrow mCO_{2} + 6H_{2}O$
    ② [숫자 대입] $C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O$
    ③ [최종 결과] $O_{2} = 6, CO_{2} = 6$
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6. 비압축성 뉴튼 유체(Newtonian fluid)에 적용되는 나비에－스토크스(Navier-Stokes) 식에 포함되지 않는 항은?

  1. 시간에 따른 운동량 변화
  2. 유체에 가해지는 중력
  3. 시간에 따른 전단응력 변화
  4. 위치에 따른 압력 변화
(정답률: 67%)
  • 나비에-스토크스 식은 유체의 운동량 보존 법칙을 나타내는 식으로, 시간에 따른 운동량 변화(가속도 항), 압력 구배(위치에 따른 압력 변화), 중력 및 외력, 그리고 점성에 의한 전단응력의 공간적 변화를 포함합니다. 하지만 전단응력의 '시간에 따른 변화'는 식에 포함되지 않습니다.
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7. 다음은 어떤 화력발전소에서 배출하는 배기가스 성분의 몰 조성[mol%]이다.

이를 질량 조성으로 환산하였을 때 혼합가스 중 이산화탄소의 함량[w%]은? (단, 결과는 소수 둘째 자리에서 반올림하며, H, C, N, O의 원자량은 각각 1, 12, 14, 16이다)

  1. 13.4
  2. 14.4
  3. 15.4
  4. 16.4
(정답률: 84%)
  • 몰 조성을 질량 조성으로 환산하기 위해 각 성분의 (몰 분율 $\times$ 분자량)을 통해 전체 질량을 구한 뒤, 이산화탄소의 질량 비율을 계산합니다.
    분자량: $\text{N}_2 = 28$, $\text{CO}_2 = 44$, $\text{H}_2\text{O} = 18$
    ① [기본 공식] $\text{w}\% = \frac{y_{\text{CO}_2} \cdot M_{\text{CO}_2}}{\sum (y_i \cdot M_i)} \cdot 100$
    ② [숫자 대입] $\text{w}\% = \frac{0.1 \cdot 44}{(0.8 \cdot 28) + (0.1 \cdot 44) + (0.1 \cdot 18)} \cdot 100$
    ③ [최종 결과] $\text{w}\% = 15.4$
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8. 다음 설명 중 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄹ
(정답률: 85%)
  • 분리 조작의 정의를 묻는 문제입니다. 증류는 끓는점 차이를 이용하고, 액체-액체 추출은 용매를 이용해 선택적으로 분리하는 조작이 맞습니다.

    오답 노트
    증발(evaporation)은 용액에 혼합기체를 통과시켜 분리하는 조작이다: 이는 스트리핑(stripping)에 대한 설명입니다.
    흡착(adsorption)은 다공질 막을 이용해 농도가 낮은 영역으로 확산시키는 조작이다: 이는 투과(permeation) 또는 막 분리에 가까운 설명이며, 흡착은 표면에 물질이 달라붙는 현상입니다.
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9. 동점도(kinematic viscosity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동점도의 단위는 열전달계수(heat transfer coefficient)의 단위와 일치한다.
  2. 동점도의 단위는 물질확산계수(diffusivity)의 단위와 일치한다.
  3. 동점도는 (길이)2/시간의 단위를 가진다.
  4. 점도(μ)를 밀도(ρ)로 나눈 값(μ/ρ)을 동점도라 한다.
(정답률: 68%)
  • 동점도는 점도를 밀도로 나눈 값으로, 물질확산계수와 동일한 차원(길이$^2$/시간)을 가집니다. 반면 열전달계수는 $\text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$의 단위를 가지므로 동점도와 일치하지 않습니다.
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10. 어떤 비압축성 액체가 단면적이 일정한 수평 원관을 흐를 때, 레이놀즈(Reynolds) 수에 따른 유체의 압력강하△P/L()와 유속()의 관계는 다음과 같다.

지름이 10cm인 수평 원관을 밀도 0.85gㆍcm－3인 액체가 5cmㆍs－1의 속도로 흐르며, 액체의 점도가 5cP이다. 이때, 부피유속을 두 배로 증가시키면 압력강하는 몇 배가 되겠는가? (단, L은 배관의 길이, 1cP＝0.001Paㆍs 이다)

  1. 2.0
  2. 3.5
  3. 4.0
  4. 4.5
(정답률: 81%)
  • 먼저 주어진 조건으로 레이놀즈 수($Re$)를 계산하여 유동 상태를 파악해야 합니다.
    $$Re = \frac{\rho \bar{V} D}{\mu}$$
    ① [기본 공식] $Re = \frac{\rho \bar{V} D}{\mu}$
    ② [숫자 대입] $Re = \frac{0.85 \times 5 \times 10}{0.05} = 850$
    ③ [최종 결과] $Re = 850$
    계산 결과 $Re < 2,100$이므로 층류 영역에 해당하며, 표에 따라 압력강하는 유속에 비례($\frac{\Delta P}{L} \propto \bar{V}$)합니다. 따라서 부피유속(유속)을 2배로 증가시키면 압력강하 또한 2.0배가 됩니다.
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11. 수증기와 질소가 혼합된 가스와 액체상태의 물이 기액평형 상태에 있을 때 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 71%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 사용하여 계산합니다.
    성분 수 $C = 2$ (수증기, 질소)
    상 수 $P = 2$ (기상, 액상)
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$
    ② [숫자 대입] $F = 2 - 2 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 2$
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12. 정상상태의 플러그 흐름 반응기(plug flow reactor)에서 반응기 내로 유입되는 시간당 반응물 A의 몰수를 FA0라 하고, 반응기 부피를 V로 할 때, V/FA0의 값을 반응물 A의 반응속도(-rA)와 전화율(XA) 그래프에서 면적으로 구할 수 있다. V/FA0을 나타낸 면적으로 옳은 것은?

(정답률: 80%)
  • 정상상태 PFR의 설계 방정식은 $V = F_{A0} \int_{0}^{X_A} \frac{dX_A}{-r_A}$로 나타낼 수 있습니다. 따라서 $\frac{V}{F_{A0}}$ 값은 $\frac{1}{-r_A}$를 $X_A$에 대해 적분한 값, 즉 그래프의 면적과 같습니다.
    따라서 $x$축이 $X_A$, $y$축이 $-\frac{1}{r_A}$인 그래프에서 $0$부터 $X_A$까지의 면적인 가 정답입니다.
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13. 냉동(refrigeration)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 냉동기는 저온부에서 고온부로 열을 이동시키는 장치이다.
  2. Carnot 냉동기의 성능계수는 냉매와 무관하다.
  3. 증기－압축 냉동에서 증발기로부터 나오는 증기상태의 냉매는 비휘발성인 용매(흡수제)에 의해 흡수된다.
  4. 증기－압축 냉동에서 증발기의 압력은 대기압보다 높아야 한다.
(정답률: 40%)
  • 증기-압축 냉동 사이클은 냉매가 증발기에서 증발하고 압축기에서 압축되는 폐쇄 회로 방식입니다. 증발기에서 나온 냉매 증기를 흡수제로 흡수하는 방식은 증기-압축 냉동이 아니라 '흡수식 냉동'의 특징입니다.

    오답 노트
    냉동기는 저온부에서 고온부로 열을 이동시키는 장치이다: 냉동기의 기본 정의입니다.
    Carnot 냉동기의 성능계수는 냉매와 무관하다: 가역 사이클의 성능계수는 오직 작동 온도에만 의존합니다.
    증발기의 압력은 대기압보다 높아야 한다: 냉매의 증발 온도를 조절하기 위해 압력을 제어하며, 일반적으로 설정된 운전 압력을 유지합니다.
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14. 이중관 열교환기에서 유체 A가 질량유속 10,000lbㆍh－1로 흐르며 200℉에서 140℉로 냉각된다. 이때 냉각에 사용된 유체 B는 주입온도 50℉에서 질량유속 5,000lb·h－1으로 병류(cocurrent flow) 공급된다. 이 경우 로그평균 온도차(LMTD: logarithmic mean temperature difference)는 몇℉인가? (단, A와 B의 비열은 각각 0.5Btuㆍlb－1ㆍ℉－1와 1.2Btuㆍlb－1ㆍ℉－1이며, ln2＝0.7, ln3＝1.1, ln5＝1.6으로 계산한다. 결과는 소수 첫째 자리에서 반올림한다)

  1. 55
  2. 65
  3. 75
  4. 85
(정답률: 57%)
  • 먼저 유체 B의 출구 온도($T_{B2}$)를 에너지 수지식으로 구한 뒤, 병류 흐름의 로그평균 온도차(LMTD)를 계산합니다.
    유체 A의 방열량 = 유체 B의 흡열량
    $$10000 \times 0.5 \times (200 - 140) = 5000 \times 1.2 \times (T_{B2} - 50)$$
    $$300000 = 6000 \times (T_{B2} - 50) \implies T_{B2} = 100$$
    병류 흐름에서 $\Delta T_1 = 200 - 50 = 150$, $\Delta T_2 = 140 - 100 = 40$이므로
    ① [기본 공식] $LMTD = \frac{\Delta T_1 - \Delta T_2}{\ln(\Delta T_1 / \Delta T_2)}$
    ② [숫자 대입] $LMTD = \frac{150 - 40}{\ln(150 / 40)} = \frac{110}{\ln(3.75)}$
    $\ln(3.75) = \ln(15/4) = \ln(3 \times 5 / 2^2) = \ln 3 + \ln 5 - 2\ln 2 = 1.1 + 1.6 - 2(0.7) = 1.3$
    ③ [최종 결과] $LMTD = \frac{110}{1.3} \approx 84.6 \approx 85$
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15. 어느 다공성 고체의 공극률이 0.5이고 진밀도가 2.0gㆍcm－3일 때, 겉보기 밀도[gㆍcm－3]는? (단, 겉보기 밀도＝고체질량/전체부피, 진밀도＝고체질량/고체만의 부피)

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 93%)
  • 겉보기 밀도는 진밀도와 공극률의 관계를 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\rho_{app} = \rho_{true} \times (1 - \epsilon)$ 겉보기 밀도 = 진밀도 × (1 - 공극률)
    ② [숫자 대입] $\rho_{app} = 2.0 \times (1 - 0.5)$
    ③ [최종 결과] $\rho_{app} = 1.0$
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16. 열용량(heat capacity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, R은 보편 기체상수이다)

  1. 어떤 물질 1g의 열용량을 비열(specific heat capacity)이라고 한다.
  2. 이상기체의 정압 몰 열용량(constant-pressure molar heat capacity, CP)과 정적 몰 열용량(constant-volume molar heat capacity, CV)의 차(CP－CV)는 R이다.
  3. 열용량은 세기성질(intensive property)이다.
  4. 열용량은 어떤 물질의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 에너지의 양이다.
(정답률: 77%)
  • 열용량은 물질의 양에 따라 값이 변하는 크기성질(extensive property)입니다. 물질의 양에 관계없이 일정한 세기성질(intensive property)이 되려면 단위 질량당 열용량인 비열을 사용해야 합니다.

    오답 노트
    비열: 물질 $1\text{g}$의 열용량으로 옳은 설명
    $C_P - C_V = R$: 이상기체의 열용량 관계식으로 옳은 설명
    온도를 $1^{\circ}\text{C}$ 올리는 데 필요한 에너지: 열용량의 정의로 옳은 설명
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17. 지름 1m인 개방된 물탱크에 높이 4m만큼 물을 채운 후, 바닥에 연결된 지름 1cm인 원관 배출구의 밸브를 열어 물을 배출한다. 배출되는 물의 부피유속이 초기 부피유속의 절반이 되었을 때 물탱크의 수위[m]는? (단, 배출관에서 마찰 손실은 무시한다)

  1. 0.5
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 50%)
  • 베르누이 방정식에 의해 배출 속도는 수위에 비례하며, 부피유속 $Q$는 단면적 $A$와 속도 $v$의 곱으로 결정됩니다. 유속이 초기 값의 절반이 되는 수위를 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식]
    $$Q = A \sqrt{2gh}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{1}{2} = \frac{\sqrt{2gh_2}}{\sqrt{2gh_1}} = \sqrt{\frac{h_2}{4}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$h_2 = 1$$
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18. 촉매의 기공을 통한 기체확산에서 다음과 같이 정의되는 무차원 수는?

  1. Grashof 수
  2. Prandtl 수
  3. Schmidt 수
  4. Knudsen 수
(정답률: 75%)
  • 기공 내 기체 확산에서 분자의 평균 자유 경로($\lambda$)와 기공의 지름($d$)의 비를 나타내는 무차원 수는 Knudsen 수($Kn$)입니다.
    $$\text{Knudsen 수} = \frac{\text{평균 자유 경로}}{\text{기공 지름}}$$
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19. 블록 선도(block diagram)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 장비, 배관, 밸브 및 이음의 정보와 물질사양, 제어라인들을 도면에 나타내어 배관 계장도(P&ID: piping and instrument diagram) 보다 상세한 공정의 정보를 제공한다.
  2. 공정 흐름도(PFD: process flow diagram)에서 사용한 것과 동일한 번호와 문자로 각 흐름과 장치를 표기할 뿐만 아니라 수증기, 고압공기 등의 유틸리티 라인들과 장치명, 계측기 등을 도면에 포함한다.
  3. 엔지니어링 설계의 문서화에 있어 표준도구로 사용되고 펌프 및 압축기 같은 필요한 보조장치 및 모든 주요 처리 조업장치를 포함하며 파이프 라인의 크기, 재질 등을 기록한다.
  4. 실제 공정의 각 요소들을 기능에 따라 블록으로 나타내고, 블록 간의 관계를 선으로 연결하여 공정을 표현한다.
(정답률: 82%)
  • 블록 선도는 공정의 전체적인 흐름을 단순화하여 표현하는 도면으로, 각 공정 단위를 기능별 블록으로 나타내고 이들의 연결 관계를 선으로 표시하여 공정의 기본 구조를 한눈에 파악하기 위해 사용합니다.

    오답 노트
    장비, 배관, 밸브 등의 상세 정보 제공: P&ID에 대한 설명
    유틸리티 라인 및 계측기 포함: P&ID에 대한 설명
    파이프 라인 크기 및 재질 기록: P&ID에 대한 설명
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20. 순수한 A물질과 B물질로 구성된 혼합 용액이 기액평형을 이루고 있다. 80℃에서 순수한 A물질과 B물질의 증기압은 각각 700mmHg와 300mmHg이다. 80℃에서 A물질의 액상 몰 분율이 0.3일 때 혼합용액의 증기압[mmHg]은? (단, 용액은 라울의 법칙(Raoult’s law)을 따른다)

  1. 210
  2. 360
  3. 420
  4. 540
(정답률: 80%)
  • 라울의 법칙을 이용하여 혼합 용액의 전체 증기압을 구하는 문제입니다. 전체 증기압은 각 성분의 분압의 합과 같습니다.
    ① [기본 공식] $P = x_{A}P_{A}^{sat} + x_{B}P_{B}^{sat}$
    ② [숫자 대입] $P = 0.3 \times 700 + (1 - 0.3) \times 300$
    ③ [최종 결과] $P = 420$
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