화공기사 2016년 4회 기출 풀이(*36번,*37번,38번,39번,40번)

* 합격을 위해 맞춰야할 문제 : 38번, 39번, 40번

36. p-Xylene 40mol%, o-Xylene 60mol% 인 혼합물을 비점으로 연속 공급하여 탑정 중의 p-Xylene을 95mol% 로 만들고자 한다. 비휘발도가 1.5라면 최소환류비는 얼마인가?

 ① 1.5

 ② 2.5

 ③ 3.5

 ④ 4.5

정답 : 4번

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최소환류비를 구하는 문제.

양론과 단위조작이 합쳐지면서 단위조작이 10문제밖에 출제되지 않고, 중요도가 떨어졌다.

때문에 이런 문제는 나와봐야 1문제이고, 계산을 위해 공부하고 외워야 할 양에 비해

얻는 게 많지 않다고 할 수 있다. 단위조작이 전체적으로 그렇다..

복잡한 계산문제는 적당히 넘기는 걸 권장한다.

물론 합격이 아닌 공부가 목적인 사람들은 짚고 넘어가야 할 문제다.

다음과 같은 식이 있다.

최소환류비 Rm 은, 

: 탑정 중 몰분율, 여기서는 =0.95

(보통 2가지 성분 중에 증기압이 더 높은 물질,

여기서는 p-Xylene, 을 기준으로 하면 되는듯 하다. 비휘발도도 마찬가지.)

x', y' : 원료공급선(q선)과 평형선의 교점

q선의 식은 다음과 같다.

비점으로 공급한다고 했으므로, q=1

(비점의 액체가 명확한 조건이겠으나 문제가 좀 불친절하다..잘못된 것 까진 아닌것같다.)

q=1 대입하면 분모 0 된다고 당황하지 말고, 양변에 1-q 를 곱해준다음에 q=1 을 대입하면,

(공급액에서 p-Xylene의 몰분율이 0.4이다.)

다음은, 평형선.

평형선은 외워도 되지만 라울의 법칙으로부터 유도 가능하다.

첨자는 그냥 떼주면 된다.

주어진 비휘발도를 대입한 평현선의 식은,

이제 공급선과 평형선의 교점을 구해주면,

x' = 0.4, y' = 0.5

최소환류비 식에 대입해주면,

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37. 공비 혼합물에 관한 설명으로 거리가 먼 것은?

 ① 보통의 증류방법으로 고순도의 제품을 얻을 수 없다.

 ② 비점도표에서 극소 또는 극대점을 나타낼 수 있다.

 ③ 상대휘발도가 1이다.

 ④ 전압을 변화시켜도 공비 혼합물의 조성과 비점이 변하지 않는다.

정답 : 4번

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공비혼합물은 공비점을 가진 혼합물로서,

공비점은 특정 온도에서 평형상태에 있는 증기의 조성과 액체의 조성이 같은 점이다.

때문에 일반적인 증류(휘발도 차이를 이용)로는 공비점에서 한계에 도달하고, 고순도의 제품을 얻을 수 없다.

비점도표에서 극소점을 나타낼 때 최저공비혼합물, 극대점을 나타낼 때 최고공비혼합물이라 한다.

상대휘발도가 1이다.

끓는점이 비슷하거나 공비혼합물의 경우 특수한 증류를 하는데

공비증류(추가적인 공비점 분리제)

추출증류(추가적인 용매성분)

압력변환 증류(압력에 변화를 줘서 비휘발도와 공비점을 달라지게 함)

등이 있다.

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38. 태양광선 중 최대강도를 갖는 파장이 6×10^(-5)cm라고 할 때 비인(Wien)의 변위법칙을 사용하여 태양의 표면온도를 구하면?

(단, 상수값은 2.89×10^(-3)m·K 이다.)

 ① 약 4,544℃

 ② 약 5,011℃

 ③ 약 5,500℃

 ④ 약 6,010℃

정답 : 1번

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빈의 변위법칙 : 흑체 방사 곡선의 최대에너지에 해당하는 파장은 절대온도에 반비례한다.

온도가 낮으면 긴파장의 적외선을 방출하고,

높으면 짧은파장의 자외선을 방출하는 그런 개념이다.

T(K) = 2.89*10^(-3)mK / 6*10^(-7) m = 4816.7 K

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39. 2중관 열교환기를 사용하여 500kg/h 의 기름을 240℃ 의 포화수증기를 써서 60℃ 에서 200℃ 까지 가열하고자 한다. 이때 총괄전열계수가 500kcal/㎡ㆍhㆍ℃, 기름의 정압비열은 1.0kcal/kgㆍ℃ 이다. 필요한 가열면적은 몇 ㎡ 인가?

 ① 3.1

 ② 2.4

 ③ 1.8

 ④ 1.5

정답 : 4번

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Q (kcal/h) = UAΔT(logmean) 식을 쓰면 된다.

대수평균온도차 부터 구해보면,

ΔT1 = 240-60 = 180

ΔT2 = 240-200 = 40

ΔT(logmean) = (180-40) / ln(180/40) = 93.08

Q를 구해보면,

Q = cmΔT 에서 Q = 1.0kcal/kgㆍ℃ * 500kg/h * (200-60) = 70000 kcal/h

Q (kcal/h) = UAΔT(logmean) 식에 대입하면,

70000 kcal/h = 500kcal/㎡ㆍhㆍ℃ * A㎡ * 93.08℃

A = 1.50 ㎡

Q = cmΔT 에서는 왜 대수평균온도차를 안쓰고

Q (kcal/h) = UAΔT(logmean) 여기서는 쓰는 지 궁금할 수 있다.

자세히 생각해보면 의미가 다른데...

Q = UAΔT(logmean)를 생각해보면,

전열량이 전열계수, 면적, 온도차에 비례한다는 그런 식이다.

여기서 온도차는 어떤 온도차일까?

2중열교환기의 관 안과 관 밖의 온도차이다.

이 문제에서 한 쪽은 240℃의 수증기이고,

한 쪽은 60℃ 에서 200℃ 까지 변하는 기름이다.

온도차를 구해야 하는데 온도차가 변한다..

그래서 온도차를 평균 내서 쓰는거다.

평균에도 기하평균, 산술평균 등 종류가 있지만

여기서는 대수평균을 쓴다. (이유는 모른다. 뭔가 있겠지..)

대수평균온도차를 계산하는 방법은 위와 같다. 반복 숙달하면 좋다.

(필답 때도 해야됨)

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40. 다음중 고점도를 갖는 액체를 혼합하는데 가장 적합한 교반기는?

 ① 공기(air) 교반기

 ② 터빈(turbine) 교반기

 ③ 프로펠러(propeller) 교반기

 ④ 나선형 리본(helical-ribbon) 교반기

정답 : 4번

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결국 암기이긴 한데 헬리컬리본이 고점도를 갖는 액체에 적합하다.

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