9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2023-06-10)

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2023-06-10 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2023-06-10 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 화합물 A, B, C가 섞여 있는 혼합물에서 A와 B의 질량분율이 각각 0.1과 0.3일 때, C의 몰분율은? (단, A, B, C의 몰질량은 각각 20gmol-1, 60gmol-1, 40gmol-1이다)

  1. 0.2
  2. 0.4
  3. 0.5
  4. 0.6
(정답률: 69%)
  • 혼합물의 총 질량을 $100\text{g}$으로 가정하여 각 성분의 몰수를 구한 뒤, 전체 몰수 대비 C의 몰수 비율(몰분율)을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Mole Fraction } X_C = \frac{\frac{m_C}{M_C}}{\frac{m_A}{M_A} + \frac{m_B}{M_B} + \frac{m_C}{M_C}}$
    ② [숫자 대입] $X_C = \frac{\frac{60}{40}}{\frac{10}{20} + \frac{30}{60} + \frac{60}{40}}$
    ③ [최종 결과] $X_C = 0.6$
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2. 유체의 흐름을 층류와 난류로 구분하는 데 사용하는 무차원 수는?

  1. Reynolds수
  2. Biot수
  3. Nusselt수
  4. Sherwood수
(정답률: 90%)
  • 유체의 흐름 상태를 결정하는 Reynolds수는 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원 수로, 이 값의 크기에 따라 층류와 난류를 구분합니다.
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3. 단열면으로부터 수직인 x방향으로의 정상상태 1차원 열전도에서 단열면에서의 경계조건은? (단, T는 온도이다)

(정답률: 65%)
  • 단열면(Adiabatic surface)은 열전달이 일어나지 않는 면을 의미합니다. 푸리에의 열전도 법칙에 따라 열유속이 $0$이 되려면 온도 기울기(gradient)가 $0$이어야 합니다.
    따라서 경계조건은 즉, $\frac{dT}{dx} = 0$이 됩니다.
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4. 화학공정의 자본비용인 것은?

  1. 가열 및 냉각 비용
  2. 원료 비용
  3. 실험실 유지 비용
  4. 배관 비용
(정답률: 50%)
  • 자본비용(Capital Cost)은 설비를 구축하는 데 들어가는 초기 투자 비용을 의미합니다. 배관 비용은 설비 설치를 위한 고정 자산 투자비에 해당하므로 자본비용입니다.

    오답 노트
    가열 및 냉각 비용, 원료 비용, 실험실 유지 비용: 공정 운영 중에 지속적으로 발생하는 운전비용(Operating Cost)에 해당함
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5. 바이오에탄올(C2H5OH)로 움직이는 자동차를 바이오에탄올 46kg을 모두 완전연소하여 주행하였을 때 발생하는 이산화탄소와 물의 양[kg]을 바르게 연결한 것은? (단, H, C, O의 원자량은 각각 1, 12, 16이다)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 69%)
  • 바이오에탄올의 완전연소 반응식을 통해 생성물인 이산화탄소와 물의 질량을 계산합니다.
    반응식: $C_{2}H_{5}OH + 3O_{2} \rightarrow 2CO_{2} + 3H_{2}O$
    분자량: 에탄올 $46$, $CO_{2}$ $44$, $H_{2}O$ $18$
    ① [기본 공식]
    $$CO_{2} \text{ mass} = \text{Ethanol mass} \times \frac{2 \times 44}{46}$$
    $$H_{2}O \text{ mass} = \text{Ethanol mass} \times \frac{3 \times 18}{46}$$
    ② [숫자 대입]
    $$CO_{2} = 46 \times \frac{88}{46}$$
    $$H_{2}O = 46 \times \frac{54}{46}$$
    ③ [최종 결과]
    $$CO_{2} = 88 \text{ kg}, H_{2}O = 54 \text{ kg}$$
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6. 유체의 성질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 요변성(thixotropic) 유체는 시간에 따라 겉보기 점도(apparent viscosity)가 감소한다.
  2. 유사가소성(pseudoplastic) 유체는 시간에 따라 전단응력(shear stress)이 감소한다.
  3. 팽창성(dilatant) 유체는 전단농화(shear thickening) 거동을 나타낸다.
  4. 뉴턴(Newton) 유체는 점도의 시간 의존성이 없다.
(정답률: 42%)
  • 유사가소성(pseudoplastic) 유체는 전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 '전단희석(shear thinning)' 거동을 보이는 유체이며, 이는 전단응력의 시간 의존성이 아니라 전단속도와의 관계에 의한 특성입니다.

    오답 노트
    요변성 유체: 시간에 따라 점도가 감소하는 성질이 맞음
    팽창성 유체: 전단속도가 증가할 때 점도가 증가하는 전단농화 거동이 맞음
    뉴턴 유체: 점도가 전단속도나 시간에 관계없이 일정한 유체가 맞음
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7. 유체역학과 관련된 물리량에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동력(power)은 단위 시간에 하는 일의 양이다.
  2. 1N은 1kg의 질량이 1ms-2의 가속도를 가지게 하는 힘이다.
  3. 압력은 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘으로 1atm은 760Nm-2이다.
  4. 점도의 SI 단위는 Paㆍs이다.
(정답률: 48%)
  • 압력의 정의는 맞으나, $1 \text{ atm}$의 수치가 잘못되었습니다.

    오답 노트
    압력은 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘이며, $1 \text{ atm}$은 $760 \text{ mmHg}$ 또는 약 $101325 \text{ N m}^{-2}$ 입니다.
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8. Hagen-Poiseuille식을 이용하여 구할 수 있는 유체의 물성은?

  1. 부피
  2. 비열
  3. 점도
  4. 밀도
(정답률: 64%)
  • Hagen-Poiseuille 식은 원형 관 내에서 층류 유동이 흐를 때 압력 강하와 유량의 관계를 나타내는 식으로, 유체의 점도를 측정하거나 계산하는 데 사용됩니다.
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9. 비구형 고체입자의 구형도(sphericity)를 구하는 식은? (단, Dp는 입자의 공칭(nominal) 직경, sp와 vp는 각각 입자 한 개의 표면적과 부피를 나타낸다)

(정답률: 37%)
  • 구형도는 입자의 부피와 표면적을 이용하여, 동일한 부피를 가진 구의 표면적과 실제 입자의 표면적의 비로 정의합니다.
    $$\Phi = \frac{\pi^{1/3}(6v_p)^{2/3}}{s_p}$$ 또는 공칭 직경 $D_p$를 이용한 표현식인 $\frac{6v_p}{s_p D_p}$가 정답입니다.
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10. 기체 유동층 반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 반응기의 온도 제어가 용이하다.
  2. 기체의 대부분은 기포의 형태로 층을 통과한다.
  3. 기체와 고체의 균일한 접촉이 장점이다.
  4. 고체의 유동성을 이용하여 반응기로부터 고체 제거가 용이하다.
(정답률: 12%)
  • 기체 유동층 반응기는 기포(Bubble) 형태로 기체가 통과하기 때문에 기체와 고체 입자 간의 접촉이 불균일하게 일어나는 것이 특징입니다. 따라서 기체와 고체의 균일한 접촉이 장점이라는 설명은 옳지 않습니다.
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11. 가로 8m, 세로 5m, 두께 0.2m인 벽의 열전도도가 10Wm-1K-1이다. 이 벽의 양 표면의 온도가 각각 10°C, 5°C로 유지되고 있다. 벽의 두께 방향으로의 열전도만을 고려할 때, 벽을 통한 열전달 속도[kW]는?

  1. 5
  2. 10
  3. 20
  4. 40
(정답률: 48%)
  • 푸리에의 열전도 법칙을 사용하여 벽을 통해 전달되는 열전달 속도를 계산합니다.
    ① $Q = k \times A \times \frac{\Delta T}{L}$
    ② $Q = 10 \times (8 \times 5) \times \frac{10 - 5}{0.2}$
    ③ $Q = 10 \times 40 \times 25 = 10000\text{ W} = 10\text{ kW}$
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12. 병류형(parallel-current) 이중관 열교환기를 이용하여 뜨거운 기름을 차가운 물로 냉각하고자 한다. 300K의 물이 4,000kgh-1로 유입되어 2,000kgh-1로 유입된 450K의 기름을 350K까지 냉각시킬 때, 출구에서의 물의 온도[K]는? (단, 기름과 물의 상변화는 없고, 기름과 물의 비열은 각각 2.0kJkg-1K-1, 4.0kJkg-1K-1이다)

  1. 310
  2. 320
  3. 325
  4. 340
(정답률: 64%)
  • 에너지 보존 법칙에 따라 기름이 잃은 열량은 물이 얻은 열량과 같습니다.
    ① $m_w \times C_{pw} \times (T_{out} - T_{in}) = m_o \times C_{po} \times (T_{in,o} - T_{out,o})$
    ② $4000 \times 4.0 \times (T_{out} - 300) = 2000 \times 2.0 \times (450 - 350)$
    ③ $16000 \times (T_{out} - 300) = 400000 \implies T_{out} - 300 = 25 \implies T_{out} = 325$
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13. 극저온 상태의 두 흑체 표면인 '표면1'과 '표면2'가 서로에 대해 복사열을 교환하고 있다. '표면1'의 온도는 3K이고 '표면2'의 온도는 2K일 때, 두 표면 사이의 순 열전달속도[W]는? (단, Stefan-Boltzmann 상수는 Wm-2K-4이고, '표면1'에 대한 '표면2'의 보기 인자(view factor)는 0.5, '표면1'의 면적은 2m2이다)

  1. 25
  2. 32.5σ
  3. 65
  4. 130σ
(정답률: 34%)
  • 두 흑체 표면 사이의 순 복사 열전달 속도는 스테판-볼츠만 법칙과 보기 인자를 사용하여 계산합니다.
    ① $Q = \sigma \times A_1 \times F_{12} \times (T_1^4 - T_2^4)$
    ② $Q = \sigma \times 2 \times 0.5 \times (3^4 - 2^4)$
    ③ $Q = \sigma \times 1 \times (81 - 16) = 65\sigma$
    정답 표기상 $\sigma$가 생략된 $65$가 도출됩니다.
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14. 용질 A가 녹아 있는 수용액 100L로부터 A를 추출하기 위해 5L의 순수한 용매 S를 사용한다. 한 개의 이상단(ideal stage)에서 추출 후, S 상에서 A의 질량농도/물 상에서 A의 질량농도＝60일 때, 초기 수용액에 녹아 있는 A의 양 중에서 용매 S로 추출되는 A의 양의 질량분율[%]은? (단, 물과 용매 S는 서로 불용성이고, 추출 전후의 물 상과 용매 S 상의 부피변화는 없다)

  1. 60
  2. 65
  3. 70
  4. 75
(정답률: 27%)
  • 추출 평형 관계와 물질 수지를 이용하여 추출 분율을 계산합니다. 추출 계수 $K = 60$, 물의 부피 $V_w = 100$ L, 용매의 부피 $V_s = 5$ L일 때 추출 분율 $E$는 다음과 같습니다.
    ① $E = \frac{K \times V_s}{V_w + K \times V_s}$
    ② $E = \frac{60 \times 5}{100 + 60 \times 5}$
    ③ $E = \frac{300}{400} = 0.75$
    따라서 질량분율은 $75\%$ 입니다.
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15. 상온, 상압에서 수소(H2) 기체의 분출(effusion) 속도는 메테인(CH4) 기체의 분출 속도의 몇 배인가？ (단, 분출은 Graham의 분출 법칙을 따르며, 수소와 메테인의 몰질량은 각각 2gmol-1, 16gmol-1이다)

  1. 1/√8
  2. 1/8
  3. √8
  4. 8
(정답률: 48%)
  • 그레이엄의 분출 법칙에 따라 기체의 분출 속도는 몰질량의 제곱근에 반비례합니다.
    ① $v_{H2} / v_{CH4} = \sqrt{M_{CH4} / M_{H2}}$
    ② $v_{H2} / v_{CH4} = \sqrt{16 / 2}$
    ③ $v_{H2} / v_{CH4} = \sqrt{8}$
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16. 25°C에서 성분 A와 성분 B로 구성된 혼합물이 라울(Raoult)의 법칙과 돌턴(Dalton)의 부분 압력 법칙을 따르며 기－액 평형을 이루고 있다. 액상에서 A의 몰분율이 0.6일 때 기상에서 A의 몰분율은? (단, 25°C에서 A, B의 증기압은 각각 100kPa, 50kPa이다)

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 0.75
  4. 0.8
(정답률: 53%)
  • 라울의 법칙과 돌턴의 법칙을 적용하여 기상 몰분율을 구합니다. 기상 몰분율은 성분 A의 부분 압력을 전체 압력의 합으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $y_A = \frac{x_A P_A^o}{x_A P_A^o + (1 - x_A) P_B^o}$
    ② [숫자 대입] $y_A = \frac{0.6 \times 100}{0.6 \times 100 + (1 - 0.6) \times 50}$
    ③ [최종 결과] $y_A = 0.75$
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17. 정상상태에서 헥세인과 옥테인의 혼합물이 100mols-1의 유속으로 증류탑으로 유입되어 기체 흐름으로 60mols-1, 액체 흐름으로 Fmols-1의 유속으로 유출된다. 유입흐름에서 헥세인의 몰분율(x1)은 0.4, 기체 흐름에서 헥세인의 몰분율(x2)은 0.6이다. 증류탑으로 유입되는 옥테인 중 액체 흐름에서 회수되는 옥테인의 몰분율[%]은? (단, 반응은 일어나지 않고, x3는 액체 흐름에서 헥세인의 몰분율이다)

  1. 60
  2. 75
  3. 80
  4. 90
(정답률: 45%)
  • 전체 물질 수지와 옥테인 성분 수지를 이용하여 액체 흐름으로 회수되는 옥테인의 비율을 계산합니다.
    ① [전체 수지] $100 = 60 + F$
    ② [옥테인 수지] $100 \times (1 - 0.4) = 60 \times (1 - 0.6) + F \times (1 - x_3)$
    ③ [최종 결과] $F = 40, \text{ 옥테인 회수율} = \frac{40 \times (1 - x_3)}{60} \times 100 = 60$
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18. 유체가 한 방향으로만 흐를 수 있도록 목표 방향으로 흐르는 유체의 압력에 의해서만 열리는 것은?

  1. 게이트(gate) 밸브
  2. 스윙 체크(swing check) 밸브
  3. 글로브(globe) 밸브
  4. 플러그 콕(plug cock)
(정답률: 19%)
  • 스윙 체크 밸브는 유체의 압력에 의해 밸브 시트가 열리고 닫히는 구조로, 유체가 한 방향으로만 흐르게 하고 역류를 방지하는 체크 밸브의 일종입니다.
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19. 기체 흡수탑에 사용되는 충전물의 조건으로 적합하지 않은 것은?

  1. 공극률(porosity)이 클 것
  2. 충전 시 단위체적당 유효표면적이 작을 것
  3. 기계적 강도가 높을 것
  4. 단위체적당 무게가 가벼울 것
(정답률: 70%)
  • 기체 흡수탑의 충전물은 기체와 액체의 접촉 면적을 최대화하여 흡수 효율을 높여야 하므로, 단위체적당 유효표면적이 커야 합니다.
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20. 화학공정 플랜트(plant)의 비용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 제품생산량에 비례하여 고정비용도 증가한다.
  2. 감가상각방법 중 정액법은 감가상각대상금액을 내용연수로 나눈 금액을 각 연도의 감가상각액으로 상정한다.
  3. 손익분기점에서 제품의 총원가와 총매출액이 같다.
  4. 플랜트의 운전비용은 제품생산량에 따라 영향을 받는다.
(정답률: 50%)
  • 고정비용(Fixed Cost)은 제품 생산량의 변화와 관계없이 일정하게 발생하는 비용(예: 임대료, 인건비 등)이므로, 생산량이 증가한다고 해서 비례하여 증가하지 않습니다.

    오답 노트
    정액법: 매년 동일한 금액을 상각하는 방식이 맞습니다.
    손익분기점: 총수입과 총비용이 일치하여 이익과 손실이 0이 되는 지점입니다.
    운전비용: 원료비, 유틸리티비 등 생산량에 따라 변하는 가변비용이 포함되어 영향을 받습니다.
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