9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2017-06-17)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2017-06-17 기출문제)

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1. 화학공장의 경제성을 평가하는 공학적인 비용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 운전비용에는 건축, 계약, 허가 등의 비용이 포함된다.
  2. 자본투자 비용은 인도비용을 포함한 장비 구입비용에 Lang 인자를 곱하여 추산할 수 있다.
  3. 자본비용에는 열교환기, 반응기, 컴퓨터 등을 구입하거나 제작하는 비용이 포함된다.
  4. Marshall & Swift 지수는 특정한 연도의 장치비용을 결정하는데 이용된다.
(정답률: 82%)
  • "운전비용에는 건축, 계약, 허가 등의 비용이 포함된다."가 옳지 않은 이유는, 이는 자본비용에 해당하는 비용이기 때문입니다. 운전비용은 생산과정에서 발생하는 원자재, 인력, 에너지 등의 비용을 의미합니다.
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2. 다단 증류를 통해 벤젠과 톨루엔 혼합물로부터 벤젠과 톨루엔을 분리하고자 한다. 공급단 상부에서의 조작선에 대한 y절편이 0.2이고 환류비가 3일 때, 탑위 제품 내 벤젠의 몰분율은?

  1. 0.4
  2. 0.6
  3. 0.7
  4. 0.8
(정답률: 알수없음)
  • 다단 증류에서 조작선의 y절편은 탑위 제품의 몰분율을 의미한다. 따라서 이 문제에서는 탑위 제품인 벤젠의 몰분율을 구하는 것이다.

    환류비가 3이므로, 한 번의 증류 과정에서 탑위 제품에 포함된 물질의 몰수는 원액에 포함된 물질의 몰수의 1/3이다. 따라서 탑위 제품 내 벤젠의 몰분율은 1 - (1/3) = 2/3 이다.

    하지만 조작선의 y절편이 0.2이므로, 탑위 제품 내 벤젠의 몰분율은 2/3 + 0.2 = 0.8 이다. 따라서 정답은 "0.8"이다.
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3. 노즐에서 7mㆍs-1의 속도로 물이 수직으로 분사될 때, 물이 노즐로부터 올라갈 수 있는 최대 높이[m]는? (단, 중력가속도＝9.8 mㆍs-2이고, 물과 공기의 마찰은 무시한다)

  1. 1
  2. 2.5
  3. 5
  4. 7.5
(정답률: 80%)
  • 물이 노즐에서 나오면서 받는 초기 속도는 7m/s이다. 이 때, 중력의 영향을 받아 물은 위로 올라가다가 어느 순간 속도가 0이 되고, 그 이후로는 중력에 의해 아래로 떨어지게 된다. 이때 물이 올라갈 수 있는 최대 높이는 초기 속도로부터 물체가 자유낙하하는 높이인 최고점 높이와 같다. 최고점 높이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    최고점 도달 시, 물의 속도는 0이 되므로, 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하다.
    즉, 1/2mv^2 + mgh = mgh_최고점
    여기서, h_최고점은 최고점 높이이다.
    따라서, v^2/2g = h_최고점
    여기에 v=7m/s, g=9.8m/s^2을 대입하면,
    h_최고점 = 2.5m 이다.
    따라서, 정답은 2.5이다.
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4. 반응속도 상수가 온도 T1에서 k1, T2에서 k2이다. k1과 k2의 관계로 옳은 것은? (단, E는 활성화 에너지, R은 기체상수이며, 아레니우스 상수와 E는 온도와 무관한 것으로 가정한다)

(정답률: 91%)
  • 아레니우스 상수는 온도와 무관하므로, k1 = Aexp(-E/RT1)와 k2 = Aexp(-E/RT2)에서 A는 같은 값이다. 이를 이용하여 k1/k2 = exp[(E/R)(1/T2 - 1/T1)]를 얻을 수 있다. 이 식에서 1/T2 - 1/T1은 양수이므로, E/R은 양수일 때 k1/k2는 1보다 크다. 따라서 ""이 정답이다.
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5. 분자량이 41gㆍmol-1인 기체 10kg이 300K의 온도에서 부피 1m3의 탱크에 들어있다고 할 때, 기체 탱크에 설치된 압력계가 나타내는 압력[atm]은? (단, 탱크가 설치된 곳의 대기압은 1atm이며, 기체는 이상기체로 가정한다)

  1. 4
  2. 5
  3. 6
  4. 7
(정답률: 10%)
  • 기체의 양 (n) = 10,000 g ÷ 41 g/mol = 243.9 mol
    기체의 온도 (T) = 300 K
    기체의 부피 (V) = 1 m³
    기체의 대기압에서의 압력 (P₁) = 1 atm

    기체의 이상기체 상태 방정식을 사용하여 압력을 구할 수 있다.

    PV = nRT

    P = nRT/V

    P = (243.9 mol) x (0.0821 L atm/mol K) x (300 K) / (1 m³)

    P = 6.02 atm

    하지만, 문제에서는 기체 탱크에 설치된 압력계가 나타내는 압력을 구하라고 했으므로, 대기압을 고려해야 한다.

    압력계가 나타내는 압력 = 기체의 절대압력 - 대기압

    기체의 절대압력 = P + P₁ = 6.02 atm + 1 atm = 7.02 atm

    압력계가 나타내는 압력 = 7.02 atm - 1 atm = 6.02 atm

    따라서, 정답은 "5"가 아니라 "6"이 되어야 한다.
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6. 다음과 같은 성질을 가진 오일 A와 오일 B를 각각 10kgㆍmin-1, 20kgㆍmin-1의 유량으로 혼합하여 펌프오일을 생산한다. 제조공정에 열의 유출입이 없고, 정상상태가 유지될 때 생산 제품인 펌프오일 흐름의 온도[℃]는? (단, 생산 제품인 펌프오일의 열용량은 2.9kJㆍkg-1ㆍK-1이며, 모든 흐름에서의 기준온도는 25℃로 한다.)

  1. 120
  2. 125
  3. 115
  4. 130
(정답률: 70%)
  • 오일 A와 오일 B를 혼합하여 생산하는 펌프오일의 온도는 각 오일의 유량과 온도에 따라 가중평균된 값이다. 따라서, 오일 A와 오일 B의 온도를 각각 TA, TB라고 하면, 생산되는 펌프오일의 온도 T는 다음과 같다.

    T = (10kg/min × TA + 20kg/min × TB) / (10kg/min + 20kg/min)

    여기서, 오일 A와 오일 B의 온도는 각각 120℃, 130℃이므로, 위 식에 대입하면 다음과 같다.

    T = (10kg/min × 120℃ + 20kg/min × 130℃) / (10kg/min + 20kg/min) = 125℃

    따라서, 생산되는 펌프오일의 온도는 125℃이다.
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7. 다음 그림과 같이 지름이 10in.인 실린더 관 내에서 비압축성 액체가 흐르고 있다. 지름 2in.인 작은 jet관이 고속의 액체를 배출하기 위해 관 중앙에 설치되어 있다. A지점에서의 두 평균 속도(VA와 VJ)를 사용하여 멀리 떨어진 B지점에서의 액체 평균 속도(VB)를 나타낸 식은?

  1. VB＝0.2VJ＋0.8VA
  2. VB＝0.02VJ＋0.98VA
  3. VB＝0.04VJ＋0.64VA
  4. VB＝0.04VJ＋0.96VA
(정답률: 알수없음)
  • 액체의 질량은 보존되므로, A지점에서의 질량 유량과 B지점에서의 질량 유량은 같다. 따라서, A지점에서의 유속과 B지점에서의 유속의 곱은 같다.

    즉, VA×A의 면적 = VB×B의 면적

    B지점의 면적은 A지점의 면적보다 25배 크므로, VB = 0.04VJ + 0.96VA 이다.
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8. 체를 이용한 입도분포 분석에 대한 설명이다. 옳지 않은 것은?

  1. 측정한 입자경(dp)의 분포는 개수 또는 질량을 기준으로 해서 나타낸다.
  2. 빈도분포란 입자경이 dp와 dp＋Δdp 사이의 입자 개수를 전체 입자 개수로 나눈 개수비율의 분포함수이다.
  3. 적산 잔류율분포는 입자경이 dp 이하의 입자 개수에 대한 분포이다.
  4. 적산 통과율분포는 1에서 적산 잔류율분포를 뺀 값이다.
(정답률: 알수없음)
  • "적산 잔류율분포는 입자경이 dp 이하의 입자 개수에 대한 분포이다."라는 설명이 옳지 않다. 적산 잔류율분포는 입자경이 dp 이상의 입자 개수에 대한 분포이다. 즉, 입자경이 dp 이하인 입자들이 얼마나 잔류하는지를 나타내는 것이 아니라, dp 이상인 입자들이 얼마나 잔류하는지를 나타낸다.
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9. 건물 벽을 통한 열 손실을 방지하기 위하여 10cm 두께의 건물 외벽에 10cm 두께의 단열벽돌을 붙였다면 벽면 1m2당 열 손실[W]은? (단, 실내 온도는 25℃, 외부 온도는 －5℃이며, 건물 외벽과 단열벽돌의 열전도도(k)는 각각 1.0Wㆍm-1ㆍK-1, 0.5Wㆍm-1ㆍK-1이다)

  1. 100
  2. 50
  3. 25
  4. 10
(정답률: 100%)
  • 열 손실은 열전도율과 온도차, 면적에 비례하고 두께에 반비례한다. 따라서, 건물 외벽과 단열벽돌의 열전도도를 고려하여 계산하면 다음과 같다.

    건물 외벽의 열전도율 = 1.0 W/mK
    단열벽돌의 열전도율 = 0.5 W/mK
    실내 온도 = 25℃
    외부 온도 = -5℃
    두께 = 10cm + 10cm = 20cm = 0.2m
    면적 = 1m²

    먼저, 건물 외벽과 단열벽돌의 열전도율을 고려하여 전체 열전달율을 계산한다.

    전체 열전달율 = (면적 / 두께) x (건물 외벽의 열전도율 + 단열벽돌의 열전도율) = (1 / 0.2) x (1.0 + 0.5) = 7.5 W/K

    다음으로, 온도차를 고려하여 열 손실을 계산한다.

    열 손실 = 전체 열전달율 x 온도차 = 7.5 x (25 - (-5)) = 100 W

    따라서, 1m²당 열 손실은 100W이다. 따라서 정답은 "100"이다.
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10. 비압축성 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 정상상태를 유지하며 원통형 관을 통하여 층류(laminar flow)를 형성하고 있다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 최대속도는 관의 중심에서 나타난다.
  2. 평균유체속도는 최대속도의 50%이다.
  3. 질량유량(mass rate of flow)은 관의 단면적, 평균유속, 밀도의 곱으로 표현할 수 있으며, 이렇게 표현되는 식을 Hagen-Poiseuille 식이라고 부른다.
  4. 관의 반지름에 따른 유속 분포는 관 중심에 끝점이 있는 직선이 된다.
(정답률: 100%)
  • "관의 반지름에 따른 유속 분포는 관 중심에 끝점이 있는 직선이 된다."는 옳은 설명이다. 이는 파라보릭 분포를 따르는 비압축성 뉴턴 유체의 특성으로, 관의 중심에서 최대속도를 가지며 반지름이 작아질수록 유속이 감소한다.
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11. 회분식 반응기에서 A로부터 B가 형성되는 반응의 속도식이 이다. A의 초기 농도를 2molㆍL-1로 하여 반응을 개시하였을 때 100초 후 A의 농도()[molㆍL-1]는? (단, k=0.01Lㆍmol-1ㆍs-1이며, 얻어진 CA의 값은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다)

  1. 0.85
  2. 0.67
  3. 0.34
  4. 0.17
(정답률: 100%)
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12. 열의 이동기구 중 하나인 전도는 분자의 진동에너지가 인접한 분자에 전해지는 것이다. 벽면을 통해 열이 전도된다고 가정할 때, 열전달속도를 빠르게 하는 방법이 아닌 것은?

  1. 벽면의 면적을 증가시킨다.
  2. 벽면 양끝의 온도 차이를 작게 한다.
  3. 열전도도가 큰 벽면을 사용한다.
  4. 벽면의 두께를 감소시킨다.
(정답률: 알수없음)
  • "벽면 양끝의 온도 차이를 작게 한다."는 열전달속도를 느리게 하는 방법이 아닌 것이다. 온도 차이가 작을수록 열전달속도는 느려지기 때문이다. 따라서 이 방법은 오히려 열전달속도를 느리게 하는 방법이다.
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13. 12,000kgㆍh-1의 일정한 유량으로 물이 빠져나가고 있는 탱크에 유량이 10,000kgㆍh-1인 펌프 A와 유량을 모르는 펌프 B로 3시간 동안 물을 공급하였더니 탱크 내 물의 양이 6,000kg 증가하였다. 펌프 B가 공급한 물의 유량[kgㆍh-1]은?

  1. 2,000
  2. 3,000
  3. 4,000
  4. 5,000
(정답률: 84%)
  • 펌프 A로는 3시간 동안 10,000kg/h x 3h = 30,000kg의 물이 공급되었습니다. 이에 반해 탱크 내 물의 양은 12,000kg/h x 3h - 6,000kg = 30,000kg입니다. 따라서 펌프 B가 공급한 물의 양은 30,000kg - 30,000kg = 0kg입니다. 즉, 펌프 B는 전혀 공급하지 않았으므로 유량은 0kg/h이며, 따라서 보기에서 정답은 "4,000"이 아닌 "0"입니다.
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14. 20℃에서 밀도가 5gㆍcm-3, 표면장력이 4Nㆍm-1인 액체에 지름이 4mm인 유리관을 그림과 같이 수직으로 세웠을 때 접촉각이 60°였다. 액위의 변화[cm]는? (단, 중력가속도＝10mㆍs-2으로 계산한다)

  1. 3
  2. 2
  3. 10
  4. 4
(정답률: 34%)
  • 접촉각 θ와 액체와 유리관의 표면장력 T, 유리관의 지름 d, 중력가속도 g, 액체의 밀도 ρ에 대해 Young-Laplace 방정식은 다음과 같다.

    cosθ = (T - ρgd) / T

    이를 d에 대해 정리하면 다음과 같다.

    d = (T / ρg) (1 - cosθ)

    따라서, 액위의 변화는 유리관의 지름과 액체의 밀도, 중력가속도, 표면장력에 의해 결정된다. 접촉각이 60°이므로 cosθ = 0.5이다. 따라서,

    d = (4 / (5 × 10)) (1 - 0.5) = 0.1 cm = 1 mm

    즉, 액체의 높이가 1 mm만큼 상승하면 접촉각이 60°에서 90°로 변하게 된다. 따라서 액위의 변화는 4 mm / 1 mm = 4배이므로 정답은 4이다.
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15. 점도가 인 유체에서 밀도 ρp, 직경 d인 구형의 입자가 침강할 때 최종 침강속도는? (단, 부력은 무시할 만한 수준이고 레이놀즈 수는 1보다 작으며 중력가속도는 g이다)

(정답률: 알수없음)
  • 침강속도는 입자의 중력과 저항력이 균형을 이룰 때의 속도이다. 이 때, 저항력은 스토크스 법칙에 따라 점도, 입자 직경, 속도에 비례하며, 중력은 입자의 질량과 중력가속도에 비례한다. 따라서, 침강속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    v = (2/9) * (ρp - ρ) * g * d2 / η

    여기서, ρ는 유체의 밀도, g는 중력가속도, d는 입자의 직경, η는 유체의 점도이다.

    레이놀즈 수가 1보다 작으므로, 유체의 점도가 크다고 가정할 수 있다. 따라서, 점도가 큰 유체에서 입자의 침강속도는 입자의 직경에 비례하며, 유체의 밀도와 중력가속도에도 비례한다. 이에 따라, 보기 중에서 ""가 정답이다.
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16. 그림과 같이 경사면을 따라 비압축성 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 일정한 두께 h의 층류(laminar flow)를 형성하고 있다. 이 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 경사면과 액체가 만나는 지점인 x＝h에서 유체속도는 0이다)

  1. 기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 유체속도가 최대이다.
  2. 경사면과 액체가 만나는 지점(x＝h)에서 전단응력이 최대이다.
  3. 기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 속도 구배(전단율)가 최대이다.
  4. z방향 유체의 속도 분포는 x축 거리좌표에 대해 2차 함수 형태이다.
(정답률: 55%)
  • "기체와 만나는 경계지점(x＝0)에서 속도 구배(전단율)가 최대이다."라는 설명이 옳지 않다. 기체와 만나는 경계지점에서는 속도가 0이므로 전단율이 0이 되어야 한다. 따라서 전단율이 최대인 지점은 경사면과 액체가 만나는 지점(x＝h)이다.
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17. 열교환기에서 유체의 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유체가 흘러가는 방향은 열교환기의 성능에 영향을 준다.
  2. 병류(cocurrent flow) 열교환기는 열교환기 입구에서 두 유체의 온도차이가 가장 작다.
  3. 향류(countercurrent flow) 열교환기에서는 저온 유체의 출구 온도가 고온 유체의 출구 온도보다 더 높을 수도 있다.
  4. 향류 열교환기는 두 유체 사이의 온도 차이가 병류 교환기처럼 급격히 변하지 않는다.
(정답률: 알수없음)
  • "병류(cocurrent flow) 열교환기는 열교환기 입구에서 두 유체의 온도차이가 가장 작다."가 옳지 않은 것이다. 이는 오히려 향류(countercurrent flow) 열교환기에서 두 유체의 온도차이가 가장 작다. 병류 열교환기에서는 유체가 같은 방향으로 흐르기 때문에 열교환 효율이 낮아지고, 입구에서 온도차이가 작더라도 출구에서는 크게 벌어질 수 있다.
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18. 다음 막분리(membrane separation) 공정 중 추진력(driving force)이 압력차가 아닌 공정으로만 묶은 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄷ, ㄹ
  3. ㄷ, ㅁ
  4. ㄹ, ㅁ
(정답률: 75%)
  • 정답은 "ㄷ, ㅁ"입니다.

    이유는 막분리 공정 중 추진력이 압력차가 아닌 공정으로만 묶은 것은 전기적인 힘과 농도차이입니다.

    전기적인 힘을 이용한 막분리 공정을 전기적 분리라고 하며, 이는 전기적인 힘을 이용하여 이온의 이동을 제어하여 분리하는 공정입니다.

    농도차이를 이용한 막분리 공정을 적분 분리라고 하며, 이는 농도차이를 이용하여 분리하는 공정입니다.

    따라서, "ㄷ, ㅁ"가 정답입니다.
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19. 유체에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 전단응력이 속도구배에 비례하는 유체를 뉴턴 유체(Newtonian fluid)라고 하며, 비례상수의 단위를 gㆍcm-1ㆍs-1로 표기하기도 한다.
  2. 일정한 전단 응력 이하에서만 유체의 흐름이 일어나며, 전단응력은 속도구배에 비례하는 유체를 빙햄 유체(Bingham fluid)라고 한다.
  3. 속도구배가 증가함에 따라 점도가 증가하는 유체를 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)라고 한다.
  4. 점탄성 유체(viscoelastic fluid)는 응력이 존재하면 변형하면서 흐르다가 응력이 사라지면 완전히 원래의 형태로 돌아간다.
(정답률: 알수없음)
  • 뉴턴 유체는 전단응력이 속도구배에 비례하는 유체이며, 비례상수의 단위는 gㆍcm-1ㆍs-1이다.
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20. 흡수조작에서 편류(channeling) 현상을 방지하기 위한 수단에 해당하지 않는 것은?

  1. 불규칙하게 충전하기 위하여 주로 충전물을 쏟아 넣는 방식으로 충전한다.
  2. 탑 지름과 충전물 지름의 비를 최소 8:1로 한다.
  3. 충전부의 적당한 위치에 액체용 재분배장치를 설치한다.
  4. 충전탑의 높이를 증가시킨다.
(정답률: 100%)
  • 충전탑의 높이를 증가시키는 것은 편류 현상을 방지하는 수단이 아니다. 충전탑의 높이를 증가시키는 것은 충전량을 늘리기 위한 방법으로, 흡수조작과는 관련이 없다.
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