9급 지방직 공무원 서울시 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2015-06-13)

9급 지방직 공무원 서울시 화학공학일반 2015-06-13 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 서울시 화학공학일반
(2015-06-13 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. Gibbs 상률을 적용할 때, 기체, 액체, 고체가 동시에 존재하는 물(H2O)의 열역학적 상태를 규정하기 위한 자유도(degree of freedom)는 몇 개인가?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 알수없음)
  • Gibbs 상률 공식 $F = C - P + 2$를 적용합니다. 물은 단일 성분이므로 $C=1$이며, 기체, 액체, 고체 3상이 공존하므로 $P=3$입니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$
    ② [숫자 대입] $F = 1 - 3 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 0$
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2. 벤젠과 톨루엔 혼합액(벤젠의 농도 60 중량%)이 100 kg/s 의 유량으로 증류탑에 공급되고 있다. 탑정액(Distillate) 생성물의 유량은 60 kg/s이며 탑정액 중 벤젠의 농도는 90 중량%이다. 증류탑 탑저액(Bottom) 생성물 중 톨루엔의 농도(중량%)를 결정하면?

  1. 85 %
  2. 87 %
  3. 90 %
  4. 93 %
(정답률: 알수없음)
  • 전체 물질 수지와 벤젠 성분 수지를 이용하여 탑저액의 조성을 구합니다. 전체 유량 $100\text{ kg/s}$ 중 탑정액이 $60\text{ kg/s}$이므로 탑저액은 $40\text{ kg/s}$입니다.
    ① [기본 공식] $F z_F = D x_D + B x_B$
    ② [숫자 대입] $100 \times 0.60 = 60 \times 0.90 + 40 \times x_B$
    ③ [최종 결과] $x_B = 0.15$
    벤젠 농도가 $15\%$이므로 톨루엔 농도는 $100\% - 15\% = 85\%$ 입니다.
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3. 다음 중 열교환기의 필수적인 설계 요소에 해당하지 않는 것은?

  1. 열전달 시간
  2. 열전달 면적
  3. 대수 평균 온도 차
  4. 총괄 열전달 계수
(정답률: 알수없음)
  • 열교환기의 기본 설계 방정식 $Q = U A \Delta T_{lm}$에 따라 총괄 열전달 계수, 열전달 면적, 대수 평균 온도 차가 필수 설계 요소입니다.

    오답 노트
    열전달 시간: 열교환기는 정상 상태(Steady-state)로 운전되므로 설계의 필수 변수가 아닙니다.
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4. 공간시간(space time)이 3.12 min이고, CA0=5 mol/ℓ이며, 원료 공급이 2 분에 2,000 mol로 공급되는 흐름 반응기의 최소 체적은 어떻게 되는가?

  1. 604ℓ
  2. 624ℓ
  3. 644ℓ
  4. 664ℓ
(정답률: 알수없음)
  • 공간시간($\tau$)은 반응기 체적($V$)을 부피 유량($v_0$)으로 나눈 값입니다. 먼저 공급되는 몰 유량을 농도로 나누어 부피 유량을 구한 뒤 체적을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \tau \times \frac{F_{A0}}{C_{A0}}$
    ② [숫자 대입] $V = 3.12 \times \frac{2000 / 2}{5}$
    ③ [최종 결과] $V = 624$ ℓ
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5. 다음 중 직관(pipe)의 마찰손실 계산을 위한 Fanning식과 Hagen-Poiseuille식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Hagen-Poiseuille식은 유체가 층류일 때 유체의 마찰손실을 계산할 수 있다.
  2. Fanning식에서 유체 마찰손실은 운동에너지와 직관(pipe)의 직경에 비례한다.
  3. Fanning식에서 유체 마찰손실은 직관의 길이에 비례한다.
  4. 마찰계수의 차원은 무차원이다.
(정답률: 알수없음)
  • Fanning 식에 따르면 마찰손실은 유체의 속도(운동에너지)의 제곱에 비례하고, 관의 직경에는 반비례합니다. 따라서 직경에 비례한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    Hagen-Poiseuille 식: 층류 영역에서 적용되는 마찰손실 계산식입니다.
    마찰손실과 길이: 관의 길이가 길어질수록 마찰 저항이 증가하므로 비례 관계가 맞습니다.
    마찰계수: 물리적 의미를 갖는 무차원 수입니다.
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6. 내경이 20 cm인 관 속을 비중 0.8인 뉴튼 유체가 층류로 흐르고 있다. 관 중심에서의 유속이 20 cm/sec라면 관 벽에서 5 cm 떨어진 지점의 국부 속도는 몇 cm/sec인가?

  1. 12 cm/sec
  2. 13 cm/sec
  3. 14 cm/sec
  4. 15 cm/sec
(정답률: 알수없음)
  • 층류 흐름에서 관 내의 속도 분포는 포물선 형태를 띠며, 중심 속도와 국부 속도의 관계식을 이용해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $v = v_{max} [1 - (\frac{r}{R})^2]$
    ② [숫자 대입] $v = 20 [1 - (\frac{10-5}{10})^2]$
    ③ [최종 결과] $v = 20 [1 - 0.25] = 15 \text{ cm/sec}$
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7. 다음 중 가능한 한 값이 크면 좋은 계측기의 특성은?

  1. 시간상수(time constant)
  2. 응답시간(response time)
  3. 감도(sensitivity)
  4. 수송지연(transportation lag)
(정답률: 알수없음)
  • 계측기의 성능 지표 중 감도는 입력값의 변화에 대해 출력값이 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타내는 척도이므로, 값이 클수록 작은 변화도 정확히 측정할 수 있어 좋습니다.

    오답 노트
    시간상수, 응답시간, 수송지연: 모두 측정값이 실제 값에 도달하는 데 걸리는 지연 시간과 관련이 있으므로, 값이 작을수록 응답성이 빠른 좋은 계측기입니다.
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8. 다음 흡착에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르면?

  1. ㉠, ㉡
  2. ㉠, ㉣
  3. ㉡, ㉢
  4. ㉡, ㉣
(정답률: 알수없음)
  • 흡착의 정의와 특성을 묻는 문제입니다.
    ㉠ 흡착은 제3의 물질을 이용하여 목적 성분을 분리하는 조작이 맞으며, ㉣ Langmuir 식은 모든 흡착점의 에너지가 균일하고 분자 간 상호작용이 없다는 가정을 바탕으로 유도된 식이므로 옳습니다.

    오답 노트
    물리흡착: 화학 작용이 아닌 반데르발스 힘에 의한 약한 결합입니다.
    열 교대 흡착공정: 압력이 아닌 온도 변화를 통해 흡·탈착을 조절하는 공정입니다.
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9. 건물 벽의 두께가 10 cm이고, 겨울철 바깥 표면의 온도가 0 ℃일 때, 안쪽 표면의 온도를 30 ℃로 유지하면 벽을 통한 단위 면적당 열전달량은? (단, 건물 벽의 열전도도는 0.01 kcal/m⋅hr⋅℃이다.)

  1. 0.005 kcal/m2⋅min
  2. 0.05 kcal/m2⋅min
  3. 0.5 kcal/m2⋅min
  4. 5 kcal/m2⋅min
(정답률: 70%)
  • 열전도 법칙(Fourier's Law)을 이용하여 단위 면적당 열전달량을 계산합니다. 단, 문제에서 요구하는 단위가 $\text{min}$이므로 최종 결과에서 시간 단위를 변환해야 합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{k \Delta T}{L}$
    ② [숫자 대입] $q = \frac{0.01 \times (30 - 0)}{0.1}$
    ③ [최종 결과] $q = 3 \text{ kcal/m}^2\cdot\text{hr} = \frac{3}{60} \text{ kcal/m}^2\cdot\text{min} = 0.05 \text{ kcal/m}^2\cdot\text{min}$
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10. 80.6 ℉의 방에서 가동되는 냉장고를 5 ℉로 유지한다고 할 때, 냉장고로부터 2.5 kcal의 열량을 얻기 위하여 필요한 최소 일의 양은 몇 J인가? (단, 1 cal=4.18 J이다.)

  1. 1,398 J
  2. 1,407 J
  3. 1,435 J
  4. 1,463 J
(정답률: 알수없음)
  • 냉장고의 최소 일은 카르노 냉동 사이클의 성능 계수(COP)를 이용하여 구할 수 있습니다. 온도는 반드시 절대온도(K)로 변환해야 합니다.
    $T_{H} = 80.6 \text{ ℉} = 294.15 \text{ K}$, $T_{L} = 5 \text{ ℉} = 258.15 \text{ K}$
    ① [기본 공식] $W = Q_{L} \times \frac{T_{H} - T_{L}}{T_{L}}$
    ② [숫자 대입] $W = 2.5 \text{ kcal} \times \frac{294.15 - 258.15}{258.15} \times 4180 \text{ J/kcal}$
    ③ [최종 결과] $W = 1463 \text{ J}$
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11. 전달함수를 구할 때 사용하는 라플라스 변환(Laplace Transform)의 주요 목적은?

  1. 비선형 미분방정식을 선형 미분방정식으로 변환
  2. 선형 미분방정식을 대수방정식으로 변환
  3. 비선형 대수방정식을 선형 대수방정식으로 변환
  4. 선형 적분방정식을 선형 미분방정식으로 변환
(정답률: 70%)
  • 라플라스 변환은 시간 영역의 미분 방정식을 복소수 $s$ 영역의 대수 방정식으로 변환하여, 복잡한 미분 연산을 단순한 곱셈과 나눗셈으로 바꾸어 풀기 위해 사용합니다.

    오답 노트
    비선형 방정식: 라플라스 변환은 기본적으로 선형 시스템에 적용됩니다.
    적분방정식: 주요 목적은 미분방정식의 대수화입니다.
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12. 단일 증류탑을 이용하여 폐 처리된 에탄올 30 mol%와 물 70 mol%의 혼합액 50 kg-mol/hr를 증류하여, 90 mol%의 에탄올을 회수하여 공정에 재사용하고, 나머지 잔액은 에탄올이 2 mol%가 함유된 상태로 폐수 처리한다고 할 때, 초기 혼합액의 에탄올에 대해 몇 %에 해당하는 양이 증류 공정을 통해 회수되겠는가? (단, 계산은 소수점 아래 두 번째 자리까지만 한다.)

  1. 85.74 %
  2. 90.74 %
  3. 95.47 %
  4. 97.47 %
(정답률: 알수없음)
  • 전체 물질 수지식과 에탄올 성분 수지식을 세워 회수율을 계산합니다.
    전체 수지: $50 = D + W$, 에탄올 수지: $50 \times 0.3 = D \times 0.9 + W \times 0.02$
    ① [기본 공식] $D = \frac{F(x_{F} - x_{W})}{x_{D} - x_{W}}$
    ② [숫자 대입] $D = \frac{50(0.3 - 0.02)}{0.9 - 0.02} = 15.91$
    ③ [최종 결과] $\text{Recovery} = \frac{15.91 \times 0.9}{50 \times 0.3} \times 100 = 95.47 \%$
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13. 10 mol의 C4H10을 완전 연소시켜 H2O와 CO2를 생성하였다. 10 %의 과잉 산소를 사용한다면 필요한 산소 O2의 몰수는?

  1. 71.5 mol
  2. 154 mol
  3. 299 mol
  4. 365 mol
(정답률: 알수없음)
  • 화학 반응식의 계수를 맞추어 이론적 산소량을 구한 뒤, 과잉 산소 비율을 적용하여 계산합니다.
    반응식: $C_{4}H_{10} + 6.5O_{2} \rightarrow 4CO_{2} + 5H_{2}O$
    ① [기본 공식] $n_{O_{2}} = n_{C_{4}H_{10}} \times 6.5 \times (1 + \text{excess})$
    ② [숫자 대입] $n_{O_{2}} = 10 \times 6.5 \times (1 + 0.1)$
    ③ [최종 결과] $n_{O_{2}} = 71.5 \text{ mol}$
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14. 20 ℃에서 수증기의 포화 증기압이 24 mmHg이고, 현재 공기 중 수증기의 분압이 21 mmHg일 때 상대 습도는?

  1. 83 %
  2. 85 %
  3. 87.5 %
  4. 88.5 %
(정답률: 70%)
  • 상대 습도는 현재 수증기 분압을 포화 증기압으로 나눈 비율을 백분율로 나타낸 것입니다.
    ① [기본 공식] $\text{상대 습도} = \frac{P_{v}}{P_{sat}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{상대 습도} = \frac{21}{24} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{상대 습도} = 87.5$
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15. 100 mol의 원료 성분 A를 반응장치에 공급하여, 회분(batch)조작으로 어떤 시간을 반응시킨 결과, 잔존 A성분은 10 mol이었다. 반응식을 2A+B→R로 표시할 때, 원료성분 A와 B의 몰 비가 5 : 3이었다고 하면 원료 성분 B의 변화율은 얼마인가?

  1. 0.72
  2. 0.73
  3. 0.74
  4. 0.75
(정답률: 알수없음)
  • 반응물 A와 B의 반응비에 따른 소모량을 계산하여 B의 변화율(전환율)을 구합니다. A의 초기 몰수는 $100\text{ mol}$, B의 초기 몰수는 $100 \times \frac{3}{5} = 60\text{ mol}$입니다.
    ① [기본 공식] $\text{변화율 } X_{B} = \frac{B_{0}-B}{B_{0}} = \frac{\frac{1}{2}(A_{0}-A)}{B_{0}}$
    ② [숫자 대입] $X_{B} = \frac{\frac{1}{2}(100-10)}{60}$
    ③ [최종 결과] $X_{B} = 0.75$
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16. 미리 정해진 순서에 따라 순차적으로 제어가 진행되는 제어 방식으로 작동 명령이 타이머나 릴레이에 의해서 행해지는 제어는?

  1. 시퀀스제어(sequence control)
  2. 피드백제어(feed back control)
  3. 피드포워드제어(feed forward control)
  4. 캐스케이드제어(cascade control)
(정답률: 73%)
  • 미리 정해진 순서(Sequence)에 따라 타이머, 릴레이, 카운터 등을 이용하여 순차적으로 제어하는 방식을 시퀀스제어(sequence control)라고 합니다.
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17. 어떤 기체의 열용량 CP는 다음과 같은 온도의 함수이다. [CP(J/mol⋅K)=10 + 0.02T] T의 단위는 K이다. 동일 압력에서 이 기체의 온도가 127 ℃ 에서 227 ℃로 증가할 때 단위 몰당 엔탈피(J/mol) 변화는?

  1. 20
  2. 110
  3. 1,900
  4. 2,100
(정답률: 70%)
  • 정압 조건에서 엔탈피 변화량은 열용량을 온도에 대해 적분하여 구할 수 있습니다. 온도는 절대온도 $K$로 변환하여 계산합니다. ($127^{\circ}C = 400K$, $227^{\circ}C = 500K$)
    ① [기본 공식] $\Delta H = \int_{T_{1}}^{T_{2}} C_{P} dT = \int_{T_{1}}^{T_{2}} (a + bT) dT = a(T_{2}-T_{1}) + \frac{1}{2}b(T_{2}^{2}-T_{1}^{2})$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = 10(500-400) + \frac{1}{2} \times 0.02(500^{2}-400^{2})$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = 1900$
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18. 다음 중 수증기 증류가 가능한 것으로 옳은 것은?

  1. C6H5NH2
  2. C2H5OH
  3. C6H6
  4. HO(CH2)4OH
(정답률: 알수없음)
  • 수증기 증류는 물과 섞이지 않으면서 끓는점이 높고, 수증기와 함께 휘발될 수 있는 물질을 분리할 때 사용합니다. $C_{6}H_{5}NH_{2}$(아닐린)는 물에 거의 녹지 않는 소수성 물질이며 수증기 증류가 가능합니다.

    오답 노트
    $C_{2}H_{5}OH$, $HO(CH_{2})_{4}OH$: 물과 잘 섞이는 친수성 물질이므로 부적합함
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19. 어떤 제철소에서 하루에 12,000 ton의 석탄을 태워 용광로 온도를 유지하고 있다. 이 제철소에서 하루 동안 배출하는 이산화탄소의 양은 얼마인가? (단, 석탄은 100 % 탄소로만 구성되어 있고 이산화탄소 분자량은 44, 연소는 C + O2 →CO2 반응 한 가지만으로 가정한다.)

  1. 2,200 ton
  2. 4,400 ton
  3. 22,000 ton
  4. 44,000 ton
(정답률: 알수없음)
  • 탄소($\text{C}$) 1몰이 연소되면 이산화탄소($\text{CO}_2$) 1몰이 생성됩니다. 질량비는 분자량의 비인 $12 : 44$를 따릅니다.
    ① [기본 공식] $\text{Mass of } \text{CO}_2 = \text{Mass of C} \times \frac{M_{\text{CO}_2}}{M_{\text{C}}}$
    ② [숫자 대입] $\text{Mass of } \text{CO}_2 = 12000 \times \frac{44}{12}$
    ③ [최종 결과] $\text{Mass of } \text{CO}_2 = 44000$ ton
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20. 메탄올이 20 mol%이고 물이 80 mol%인 혼합물이 있다. 이를 상압하에서 플래시(flash) 증류로 분리한다. 이때 공급되는 혼합물 중 50 mol%가 증발되고, 50 mol%는 액상으로 남으며 액상에서 메탄올의 몰분율이 0.1인 경우, 기상에서 메탄올의 몰분율은?

  1. 0.20
  2. 0.25
  3. 0.30
  4. 0.35
(정답률: 알수없음)
  • 플래시 증류에서의 물질 수지 식을 이용하여 기상 몰분율을 구할 수 있습니다. 공급량($F$), 증발량($V$), 액상량($L$)의 비율이 $1 : 0.5 : 0.5$인 상황입니다.
    ① [기본 공식] $F z_F = V y + L x$
    ② [숫자 대입] $1 \times 0.20 = 0.5 \times y + 0.5 \times 0.1$
    ③ [최종 결과] $y = 0.30$
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