2024년 5급 공채 기술 2차 반응공학

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

제1문 (10점)

아래의 경쟁반응에서 반응물 A가 소모되고 있다. 다음 물음에 답하시오. (단, 임의의 성분 i에 대하여 C_{i} \,는 i의 농도이며 C_{{i \, 0}}는 i의 초기 농도이다) (총 10점)

A \, \, REL \rightarrow {k_{{1}}} {} \, \, R
A \, \, REL \rightarrow {k_{{2}}} {} \, \, S

(1) 두 반응이 기초반응일 때, 회분식반응기에서 A와 R의 농도(C_{{A}} , \, \, C_{{R}})를 시간에 따른 함수로 서술하시오. (4점)
(2) 두 반응이 기초반응일 때, 원하는 생성물 R \,의 반응속도를 상대적으로 증가시키기 위한 조작 방법을 서술하시오. (2점)
(3) 생성물의 반응속도식이 r_{{R}}＝C_{{A}}[molㆍL^－1ㆍmin^－1]와 r_{S}＝C_{{A}}^{2}[molㆍL^－1ㆍmin^－1]이고 반응물과 생성물의 초기 농도가 C_{{A \, 0}}＝10molㆍL^－1, C_{{R \, \, 0}}＝C_{{S \, \, 0}}＝0일 때, 플러그흐름반응기(PFR)에서 전화율 90%를 얻었다. 원하는 생성물이 R \,인 경우 총괄 수율을 구하시오. (단, 계산값은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다) (4점)

제2문 (15점)

동일한 크기의 연속교반탱크반응기(CSTR) N \,개가 직렬로 연결되어 있다. 반응은 기초반응이고 첫번째 반응기에 유입되는 반응물의 농도가 C_{{0}}, 마지막 반응기에서 유출되는 반응물의 농도가 C_{{N}}, 임의의 i번째 반응기에서의 반응물의 농도가 C_{{i}} \,라고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 반응속도 상수는 k, 반응기의 부피는 V, 각 반응기의 공간시간(평균체류시간)은 \tau \,이다) (총 15점)

A \ REL \rightarrow {k} {} \ P

(1) 전체 반응기에 대한 \frac{{C_{{0}}}}{{C_{N}}}을 구하시오. (6점)
(2) 전체 반응기에 대한 공간시간(평균체류시간, \tau)을 반응기의 개수(N \,)가 포함된 수식으로 구하시오. (6점)
(3) 2)에서 N \,이 무한대로 갈 때, 공간시간(평균체류시간, \tau)을 구하시오. (3점)

제3문 (10점)

열교환기가 장착된 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 액상 반응 A→B \,가 일어나고 있다. 주어진 데이터를 활용하여 다음 물음에 답하시오. (단, T_{{f}}, T_{{j}}는 각각 반응물과 열교환기 냉매의 온도이며, 냉매의 유량은 충분히 커서 온도가 일정하다고 가정한다) (총 10점)

F_{{A \, 0}}＝10molㆍh^－1
C_{{P , \, A}}＝50Jㆍmol^－1ㆍK^－1
T_{f}＝300K
T_{j}＝300K
\Delta H_{{R}}＝－20,000Jㆍmol^－1
UA＝1,000Jㆍh^－1ㆍK^－1

(1) 전화율이 100%일 때, 정상상태에서 반응기 내부의 온도를 계산하시오. (단, 계산값은 소수점 둘째 자리에서 반올림한다) (5점)
(2) 반응기가 오래되어 열교환기와 반응기 벽 사이에 이물질이 많이 축적되어 UA가 절반으로 감소하였다. 이로 인해 반응기 내부 온도가 급격히 증가할 것이 우려되어 열교환기 냉매의 온도를 200K로 낮추어 반응기 내부 온도를 1)의 온도와 동일하게 유지되도록 할 때, 전화율을 구하시오. (단, UA와 T_{j}를 제외한 나머지 데이터는 동일하며, 계산값은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다) (5점)

제4문 (15점)

연속교반탱크반응기(CSTR)에서 액상 복합반응이 진행된다. 다음 물음에 답하시오. (단, 모든 반응은 기초반응이며 초기 농도가 C_{{A \, 0}}인 반응물 A만 공급하고 있다) (총 15점)

A \, \, REL - > {k_{{1}}} {} \, \, B \, \, REL - > {k_{{2}}} {} \, \, C
A \, \, REL \rightarrow {k_{{3}}} {} \, \, D

(1) 반응기 출구에서 각 성분의 농도를 구하시오. (10점)
(2) 원하는 생성물이 B \,일 때, B \,의 농도(C_{{B}})가 최대가 되는 공간시간(평균체류시간, \tau)을 구하시오. (3점)
(3) B \,의 농도(C_{{B}})가 최대가 될 때, B \,의 총괄 선택도({\overline{{S \, \,}}})를 구하시오. (2점)