5급 공채 2차

2023년 5급 공채 기술 2차 반응공학

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

제1문 (10점)

비가역 액상 기초반응 A＋B→C가 단열 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 진행된다. 반응기로 공급되는 A와 B \,의 농도는 0.2molL-1로 동일하다. 반응기 유입 흐름의 온도는 300K이고 부피속도는 4Ls-1이다. 물음에 답하시오. (단, 300K에서 A, B, C \,의 생성엔탈피는 각각 －25, －11, －42kcalmol-1이며, 정압열용량은 각각 13, 17, 30calmol-1K-1으로 일정하다. 반응속도상수(k)는 300K에서 0.01Lmol-1s-1이고, 활성화에너지는 10kcalmol-1이며, 기체상수는 1.987calmol-1K-1이다) (총 10점)
  1. (1) 전화율 0.7을 얻기 위해 필요한 반응기의 부피[L]를 구하시오. (단, 계산값은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다) (8점)
  2. (2) 반응기 운전 온도 한계가 600K이라 할 때, 전화율이 1.0인 경우에서도 온도 한계를 넘지 않는 입구 온도[K]의 최댓값을 구하시오. (2점)

제2문 (10점)

다음은 기체 A_{2}가 촉매 표면(S \,)에 흡착된 후 기체 B \,와 반응하여 기체 C \,를 생성시키는 반응을 단계별로 나타낸 것이다. 속도제한 단계는 표면반응(b)이다. 물음에 답하시오. (총 10점)
(a)A_{2} ( g ) + 2 S \ REL \rightleftharpoons {k_{1}} {k_{-} 1} \ 2 ( AㆍS \, )
(b)B ( g ) + AㆍS \ REL \rightarrow {k_{2}} {} CㆍS
(c)CㆍS \ REL \rightleftharpoons {k_{3}} {k_{-} 3} \ C \, ( g ) + S
  1. (1) 총괄 반응 속도식을 유도하시오. (6점)
  2. (2) A_{2}의 농도가 매우 높을 때와 A_{2}의 농도가 매우 낮을 때 총괄 반응 속도식에서 A_{2}의 반응차수를 각각 구하시오. (4점)

제3문 (15점)

다음 액상 기초반응에 대한 물음에 답하시오. (단, 중간생성물 B \,의 농도 변화는 유사정상상태가정(PSSH)을 만족한다) (총 15점)
A \ REL - > {k_{{1}}} {\ } B + C
A + B \ REL - > {k_{{2}}} \ {P} \ REL - > {k_{{3}}} \ D
  1. (1) 플러그흐름반응기(PFR)에서 반응을 진행할 경우, P \,의 농도가 최대로 되는 공간시간(\tau_{opt} , PFR)을 반응속도상수 k_{1}, k_{2}, k_{3}의 식으로 유도하시오. (10점)
  2. (2) 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 반응을 진행할 경우, P \,의 농도가 최대로 되는 공간시간(\tau_{opt} , CSTR)을 반응속도상수 k_{1}, k_{2}, k_{3}의 식으로 유도하시오. (5점)

제4문 (15점)

초기농도(C_{A} 0)가 10molL-1인 순수한 반응물 A를 이용하여 등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 비가역 액상 기초반응 A→B \,를 진행한다. 반응속도상수(k)가 0.4min-1일 때, 물음에 답하시오. (총 15점)
  1. (1) 공간시간(\tau)은 10min이고 반응이 정상상태(steady-state)에 도달하였을 때, 반응기 출구에서 A의 전화율을 구하시오. (2점)
  2. (2) 1)의 조건으로 운전되던 반응기에서 반응물의 초기농도는 유지하면서 갑자기 반응물의 공급 유량을 50%로 줄였다. 이때의 시간(t)을 0으로 하여 출구의 농도를 k, \tau, C_{A} 0, t의 식으로 유도하고, 2분 후(t＝2min)에 반응기 출구에서 A의 전화율을 구하시오. (단, 공급 유량이 줄어듦과 동시에 출구 유량도 50%로 줄어든다. 계산값은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다) (13점)