2021년 5급 공채 기술 2차 반응공학

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

제1문 (10점)

기초 액상 연속반응 A \, \, REL - > {k_{{1}}} {} \, \, R \, REL - > {k_{{2}}} {} \, \, S \, \,에 대한 회분식반응기의 시간에 따른 반응물과 생성물의 농도분포가 아래 그림과 같다. 반응물 A의 초기 농도가 1molL^－1일 때 다음 물음에 답하시오. (단, 첫 번째 반응은 1차 반응이고, 두 번째 반응은 0차 반응이다. 반응식에서 k는 반응속도상수이다) (총 10점)
[그림]

(1) 중간체 R의 최고농도(C_{{R , \, \max}})를 구하시오. (4점)
(2) 중간체 R이 연속반응에 의해 모두 소모되어 C_{{R}} = 0이 되는 시간[min]을 구하시오. (6점)

제2문 (15점)

다음과 같이 비가역 등온 기초반응이 구형의 고체촉매 50kg을 이용한 충전층반응기에서 수행된다.

A ( g ) + B ( g ) \, \, REL - > {k_{{}}} {} \, \, C \, ( g ) + D ( g )

반응기 입구 압력은 30atm, 출구 압력은 6atm이며, A와 B가 혼합하여 반응기에 공급될 때, A의 전화율(X)은 50%이다. 물음에 답하시오. (단, 압력강하는 P \, = P_{{0}} ( 1 - \alpha W \, )^{{1 / 2}}로 표현되며, W \,는 촉매 무게이다. 압력강하 파라미터 \alpha는 촉매 입자의 직경에 반비례하고 촉매 입자 내 확산효과는 무시한다. 유입 몰유량은 F_{{A \, 0}}＝F_{{B \, 0}}＝10molmin^－1, 유입 농도는 C_{{A \, 0}}＝C_{{B \, 0}}＝0.5molL^－1이다) (총 15점)

(1) 이 반응의 반응속도상수(k)를 구하시오. (5점)
(2) 충전층반응기의 조건은 동일하고 촉매입자 직경만을 두 배로 증가시킬 때 A의 전화율(X)을 구하시오. (5점)
(3) 만약 반응기 내에서 압력강하가 없다면 A의 전화율은 어떻게 되는지를 반응기 내부의 반응물의 농도 및 반응속도 분포 등을 이용하여 정성적으로 설명하시오. (5점)

제3문 (10점)

다음과 같은 1차 비가역 액상 이성화반응을 443K에서 수행한다. 물음에 답하시오.

A → B

(단, 이 반응의 300K에서 반응속도상수는 4.08×10^－6min^－1이고, 활성화에너지는 85kJmol^-1이며, 기체상수 R＝8.314Jmol^-1K^-1이다) (총 10점)

(1) 원료는 순수한 A만 공급되며 유량은 10Lmin^－1으로 반응 중에 일정하게 유지된다고 할 때, 출구에서 A의 전화율이 80%가 되기 위한 관형흐름반응기와 연속교반탱크반응기 각각의 부피[L]를 구하시오. (7점)
(2) 위 반응을 회분식반응기에서 진행한다고 할 때, A를 99% 전환하는 데 걸리는 시간[min]을 구하시오. (3점)

제4문 (15점)

다음과 같은 기상 가역반응이 상압(1atm) 하에 운전되는 단열 연속교반탱크반응기에서 정상상태로 진행된다.

A \, \, \rightleftharpoons \, \, B
- r_{{A}} \, = \, k \, \left( C_{{A}} \, - \, \frac{{C_{{B}}}}{{K_{{C}}}} \right)

순수한 A성분만이 600K에서 1.0molmin^－1의 몰유량으로 반응기에 주입된다. 반응 온도 600K에서 이 반응의 정반응 속도상수(k)는 1.0×10^－2min^－1이고 이때의 활성화에너지는 30kJmol^－1이다. 물음에 답하시오. (단, 반응 온도 300K에서의 평형상수(K_{{C}})는 100이고, 반응물과 생성물은 이상기체로 가정한다. 축일(shaft work)은 무시하며, 기체상수 R＝8.314Jmol^－1K^－1, 273K에서 반응엔탈피는 －20kJmol^－1, A와 B의 열용량은 각각 30Jmol^－1K^－1이다) (총 15점)

(1) 위 조건에서 단열평형 온도[K]와 평형 전화율을 구하시오. (10점)
(2) 평형 전화율의 80%에 도달했을 때 반응기의 부피[m³]와 온도[K]를 구하시오. (5점)