5급 공채 2차

2019년 5급 공채 기술 2차 반응공학

문제 4개 · 50점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.

제1문 (10점)

가역반응 A⇄B가 기초반응(elementary reaction)이며, 두 온도에 대하여 아래 표와 같이 정반응 속도 상수(k) 및 반응 평형 상수(Ke)를 갖는다. 반응 초기에 순수한 반응물 A만 존재할 경우, 다음 물음에 답하시오. (총 10점)
온도k [h－1]Ke
High Temp. (HT)151
Low Temp. (LT)7.53
  1. (1) 각 온도에서의 평형 전환율을 구하시오. (2점)
  2. (2) 혼합흐름 반응기(CSTR)에서 LT의 온도로 등온 반응이 진행되며, 평형 전환율의 80%까지 반응을 진행할 경우 공간시간을 구하시오. (4점)
  3. (3) 두 개의 CSTR을 직렬로 연결하며, 첫 번째는 HT에서, 두 번째는 LT에서 등온 운전을 진행한다. 첫 번째 반응기에서 전환율 40%를 달성하고, 두 번째 반응기에서 추가 반응을 통하여 2)와 동일한 최종 전환율을 달성하고자 할 경우 전체 공간시간을 구하시오. (4점)

제2문 (10점)

다음 그림은 액상 1차 가역반응(A⇄R)에 대해 CA0＝2mol A․L-1, CR0＝0의 조건에서 얻어진 전환율(XA)－반응온도 곡선이다. 물음에 답하시오. (단,- r_{{A}}는 반응속도[mol A․min-1․L-1]이다) (총 10점)
[그림]
  1. (1) 순수한 반응물 A는 1,400L의 단열 혼합흐름 반응기에서 70%가 전환되었다. 초기에 공급되는 A의 농도(CA0)가 2mol A․L-1일 때, 최적의 혼합흐름 반응기의 성능을 유지하기 위한 A의 유량[mol A․min-1]을 계산하시오. (3점)
  2. (2) 1)의 반응기에서 반응 전 공급물의 온도(°C)를 구하시오. (단, 공급물의 열용량(CpA)은 120cal․mol A-1․K-1이고, 반응열(- \Delta H_{{r}})은 8,400cal․mol A-1로 온도에 무관하다) (4점)
  3. (3) 별도로 플러그흐름 반응기(PFR)에서 가역 발열반응이 진행된다고 가정하자. 일정한 공급 몰 유속에서 원하는 전환율을 달성하기 위하여 반응기 부피를 최소로 하고자 한다. 반응기 길이에 따른 최적 온도 조절 방법을 정성적으로 서술하시오. (3점)

제3문 (15점)

CO＋Cl2→COCl2 기상 반응이 불균일 촉매 상에서 진행된다. 표면 반응은 율속단계이며 비가역으로 진행된다. 생성물인 COCl2의 흡․탈착을 고려하여 총괄 반응속도식을 아래의 조건에 따라 유도하시오. (단, 농도, 분압, 속도상수 등 유도과정에 필요한 기호는 각자 정의한다) (총 15점)
  1. (1) CO와 Cl2가 각각 분자 흡착을 하는 Langmuir-Hinshelwood 반응기구를 따르는 경우 (8점)
  2. (2) CO만 분자 흡착을 하는 Eley-Rideal 반응기구를 따르는 경우 (7점)

제4문 (15점)

다음 제시된 1차 비가역 반응들이 등온 플러그흐름 반응기(PFR)에서 진행된다. 물음에 답하시오. (단, k1＝k2＝1s-1이고 k3＝2s-1이다. 원료 A의 농도는 CA0＝2.0mol A․L-1이고 원료에 R, S 및 D는 포함되지 않았다) (총 15점)
A REL - > {k_{{1}}} {} R REL - > {k_{{2}}} {} S
A REL - > {k_{{3}}} {} D
  1. (1) 반응기 출구에서 A의 농도가 CA=0.40mol A․L-1일 때 공간시간을 구하시오. (5점)
  2. (2) 1)과 동일한 조건일 때, 반응기 출구에서 R, S 및 D의 농도를 계산하시오. (10점)