7급 국가직 반응공학 2013년 기출문제

부피가 일정한 회분식 반응기(batch reactor) 내에서 다음과 같은 가역 1차 반응이 순수한 A로부터 출발하여 진행된다. 평형에 도달했을 때 A의 평형전환율이 80 %라고 하면, 이 반응의 평형상수 K_C는?

$\mathrm{A}\underset{k_2}{\overset{k_1}{\rightleftarrows }}\mathrm{R}$

다음 그림은 두 개의 평행한 지류로 이루어진 세 개의 플러그흐름 반응기(PFR)를 보여주고 있다. 각 지류 A, B에서의 전환율이 동일하기 위한 공급물의 유량 비율은?

지류 A 지류 B

다음과 같은 반응에 대한 반응속도식을 구하기 위하여 일정한 부피를 갖는 회분식 반응기에서 반응실험을 수행하였다. 만약 이 반응이 기초반응(elementary reaction)이라면, 시간에 따라서 선형적으로 증가하는 농도함수의 표현으로 옳은 것은?

$2A\to \mathrm{P}$

어떤 반응에서 반응기를 “CSTR － PFR － CSTR”과 같이 직렬로 연결했을 때, 반응기의 크기를 결정하기 위한 $\frac{1}{-r_A}$과 $X_A$의 관계를 나타내는 그래프로 옳은 것은? (단, $r_A$와 $X_A$는 각각 A의 반응속도와 전환율이다)

다음 메커니즘에 따라 2A ＋ B ＋ C → D ＋ B의 반응이 일어날 경우, 전체 반응속도식으로 옳은 것은?

A ＋ C ⇄ W 빠른 가역평형반응

W ＋ B → X ＋ D 느린 반응

X ＋ A → B 빠른 반응

공간시간(space time)이 1.5분이고 $C_{A0}$ ＝ 5 mol/$\mathrm{\ell }$이며, 원료 공급이 1분에 1,000 mol로 공급되는 혼합흐름 반응기(CSTR)의 최소 부피[$\mathrm{\ell }$]는?

일정 부피의 회분식 반응기에서 $\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ 비가역반응이 일어나고 있다. 이 반응은 액상 1차 반응이며, 90 % 전환에 100초의 시간이 걸렸다면, 반응 시작 후 전환율이 99.9 %에 도달하기 위한 반응시간은?

$2A\to \mathrm{R}$은 비가역 2차 반응이다. 등온 회분식 반응기에서 A를 어떤 초기농도로 10분 동안 반응시켰을 때 A의 25 %가 전환되었다. A의 초기농도를 3배로 증가시킨다면 A의 50 %가 전환되기 위한 반응시간은?

반응물 A가 1 mol/$\mathrm{\ell }$의 농도로 4$\mathrm{\ell }$ 부피의 CSTR에 공급되어, 등온에서 다음과 같이 반응을 한다. 출구에서의 농도를 측정한 결과 0.5 mol/$\mathrm{\ell }$이었다. 반응기에 공급해야 하는 반응물의 공급속도[ℓ/s]는?

$\begin{array}{rlrlrlrlrlrlrlrl}\mathrm{A}& & \stackrel{k}{\to }& & \mathrm{R},& & & & & -r_A& & =& & 0.5C_A^2& & \left[\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{\ell }\cdot \mathrm{s}}\right]\end{array}$

다음과 같은 액상 반응에서 반응물 A의 농도를 달리하면서 부피가 일정한 회분식 반응기에서 초기 반응속도를 관찰하였으나 반응속도의 변화를 관찰할 수 없었다. 만일 A를 CSTR에 주입하여 주어진 조건에서 60 %의 전환율을 얻었다면, PFR을 사용하여 동일한 조건에서 얻을 수 있는 전환율은?

$\mathrm{A}\to \mathrm{P}$

반응평형에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

불균일계 촉매반응에서 유효인자(effectiveness factor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

기체 반응물 A가 부피 50 ℓ의 CSTR 내로 47 °C에서 100 ℓ/min의 속도로 들어가고 있다. 이 반응은 부피가 2배로 증가하는 반응이며 전환율은 60 %이다. 반응기 출구에서의 온도는 127 °C이고, 압력은 1 atm으로 일정할 경우, 이때의 공간시간과 평균 체류시간(mean residence time)은?

공간시간[min] 평균 체류시간[min]

액상 1차 반응 A → R이 직렬로 연결된 2개의 CSTR에서 일어나고 있다. 첫 번째 반응기의 입구와 출구에서 A의 농도가 각각 1과 0.6 mol/ℓ이다. 두 번째 반응기의 부피가 첫 번째 반응기의 6배라고 가정할 때, 두 번째 반응기 출구에서 A의 농도[mol/ℓ]는?

다음과 같은 반응이 체류시간 τ인 CSTR에서 일어날 때, 반응기 출구에서 B의 농도 $C_B$에 대한 식으로 옳은 것은? (단, 공급원료에는 A만이 존재하며 그 농도는 $C_{A0}$로 가정한다)

$\begin{array}{r}\mathrm{A}\to \mathrm{B}(r_1=k_1{C}_A)\\ \mathrm{B}\to \mathrm{C}(r_2=k_2{C}_B)\\ \mathrm{B}\to \mathrm{D}(r_3=k_3{C}_B)\end{array}$

기체 A와 기체 B가 촉매 표면에 흡착하여 $\mathrm{A}+\mathrm{B}\to \mathrm{C}$의 이분자 반응(bimolecular reaction)이 일어난다. 표면 반응이 율속 단계(rate - determining step)이며 Langmuir - Hinshelwood 메커니즘을 따를 때, 속도식의 표현으로 옳은 것은? (단, 생성물 C의 흡착은 일어나지 않으며, 각 기호의 의미는 다음과 같다)

$K_A$ : A의 흡착 평형상수 $K_B$ : B의 흡착 평형상수

$P_A$ : A의 분압 $P_B$ : B의 분압

$k^{\prime }$ : 표면 반응의 반응속도 상수

다음 그림과 같이 일산화탄소의 흡착은 니켈(Ni) 표면 위에서는 분자흡착하고, 철(Fe) 표면 위에서는 분자가 아닌 산소와 탄소원자로 해리흡착하는 것으로 알려져 있다. 해리흡착(dissociative adsorption)을 위한 등온선(isotherm)을 나타내는 식으로 옳은 것은? (단, $C_t$, $C_{O\cdot S}$, $P_{\mathrm{CO}}$, $K_A$는 각각 흡착 활성점의 총 표면농도, 산소 원자의 흡착 표면농도, 일산화탄소의 분압, 흡착 평형상수이다)

$\begin{array}{c}\mathrm{C}\\ ╲\\ \mathrm{O}\\ ⋮\\ -\mathrm{Ni}-\mathrm{Ni}-\mathrm{Ni}-\\ \text{(분자흡착)}\end{array}$ $\begin{array}{r}\mathrm{C}\mathrm{O}\\ ⋮⋮\\ -\mathrm{Fe}-\mathrm{Fe}-\mathrm{Fe}-\\ \\ (\text{해리흡착})\end{array}$

메탄과 염소 분자의 반응은 다음과 같은 라디칼반응 메커니즘을 통하여 일어난다. 이 경우, HCl 생성을 위한 반응속도식에서 메탄과 염소 분자의 농도 각각에 대한 반응차수로 옳은 것은?

$\begin{array}{r}{\mathrm{Cl}}_2\stackrel{k_1}{\to }2\mathrm{Cl}\cdot \\ \mathrm{Cl}\cdot +{\mathrm{CH}}_4\stackrel{k_2}{\to }\mathrm{HCl}+{\mathrm{CH}}_3\cdot \\ {\mathrm{CH}}_3\cdot +{\mathrm{Cl}}_2\stackrel{k_3}{\to }{\mathrm{CH}}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{Cl}\cdot \\ \mathrm{Cl}\cdot +\mathrm{Cl}\cdot \stackrel{k_4}{\to }{\mathrm{Cl}}_2\end{array}$

${\mathrm{CH}}_4$ ${\mathrm{Cl}}_2$

부피가 일정한 등온 회분식 반응기에서 다음과 같은 액상의 가역 1차 반응이 일어난다. 1분 후 A의 전환율은 25%이고, 이 반응의 평형전환율은 50 %이다. 반응속도[mol/ℓ·min]를 나타내는 식으로 옳은 것은? (단, ln 0.5의 값은 -0.69이고 ln 0.25의 값은 -1.38이다)

$\mathrm{A}\underset{k_2}{\overset{k_1}{\rightleftarrows }}\mathrm{R}$, $C_{A0}=1\mathrm{mol}/\mathrm{\ell }$, $C_{R0}=0$

2개의 직렬로 연결된 CSTR에서 다음과 같이 액상 반응물 A의 평행반응이 진행된다. 초기농도는 $C_{A0}=1,C_{R0}=0,C_{S0}=0$이고 각 반응기의 공간시간은 ${\tau }_1=5\min ,{\tau }_2=10\min$이다. 첫 번째 반응기 출구에서의 농도가 $C_{A1}=0.4,C_{R1}=0.4,C_{S1}=0.2$일 때, 두 번째 반응기 출구에서의 농도는?

$\begin{array}{ccc}& \mathrm{R}(r_R=k_1{C}_A)& \\ & \nearrow & \\ \mathrm{A}& & \\ & \searrow & \\ & \mathrm{S}(r_S=k_2{C}_A)& \end{array}$

$C_{A2}$ $C_{R2}$ $C_{S2}$