7급 국가직 반응공학 2020년 기출문제

자동촉매반응(autocatalytic reaction)에 해당하는 반응식은?

화학 반응속도를 몰농도로 표현할 때, 비가역 0차 반응과 비가역 2차 반응에서 속도상수 $k$의 단위를 바르게 연결한 것은? (단, 시간의 단위는 min이고 부피의 단위는 L이다)

0차 반응 2차 반응

등온 혼합흐름 반응기 2개를 직렬로 연결하여 1차 액상 반응을 동일한 온도에서 진행한다. 최종 전환율이 주어질 때, 두 반응기 크기의 합이 최소가 되는 배치는?

다음 $n$차 화학 반응속도식으로부터 얻어지는 반감기($t_{1/2}$)는? (단, $n>1$이고, $C_{A0}$는 $A$의 초기농도이다)

$A\to R$, $-r_A=k{C}_A^n$

1차 액상 반응 $A\stackrel{k}{\to }B$의 반응속도상수 $k$는 0.1 s^-1이다. 농도가 0.5 mol L^-1인 순수한 $A$를 유량 1.0 L s^-1로 등온 혼합흐름 반응기에 공급하여 생성물 $B$를 1초당 0.1 mol의 속도로 생성시킬 때, 필요한 반응기의 부피[L]는?

$A\stackrel{k_1}{\to }R\stackrel{k_2}{\to }S$ 형태의 연속 단분자형 1차 반응이 순수한 $A$로부터 정용 회분식 반응기에서 진행한다. $R$의 농도가 최대일 때, $A$의 전환율($X_A$)은? (단, $k_1$ ＝ 2 min^-1이고 $k_2$ ＝ 4 min^-1이다)

다음과 같이 복합 반응을 중간체 $B$에 대해 유사 정상상태 근사법을 적용하여 근사화된 단일 반응으로 나타낼 때, 유효 속도계수($k_{eff}$)는? (단, $C_I$는 $I$의 농도이다)

복합 반응:

$A\underset{k_{b1}}{\overset{k_{f1}}{\rightleftarrows }}B$, $r_1=k_{f1}{C}_A-k_{b1}{C}_B$

$B\stackrel{k_2}{\to }C$, $r_2=k_2{C}_B$

근사화된 단일 반응:

$A\to C$, $r_{}=k_{eff}{C}_A$

등온 정압하의 변용 회분식 반응기에서 균일계 기상반응 $A+3B\to 2C$를 진행한다. 반응초기에 1몰의 $A$와 3몰의 $B$만을 반응기에 넣을 때, 전환율($X_A$)로 나타낸 $A$의 농도($C_A$)는? (단, 기체는 모두 이상기체이고 $C_{A0}$는 $A$의 초기농도이다)

등온 플러그흐름 반응기에서 균일계 2차 비가역 액상 반응 $A\to B$를 진행하여 전환율 50 %를 얻었다. 이 반응의 전환율을 75 %로 높이기 위한 방법으로 옳은 것만을 모두 고르면? (단, 제시된 조건 이외의 다른 조건은 변화시키지 않는다)

ㄱ. 반응기 부피를 1/3로 줄인다.

ㄴ. 부피 유량을 3배로 늘린다.

ㄷ. 온도를 올려서 속도상수 값을 3배로 늘린다.

ㄹ. $A$의 초기농도를 3배로 늘린다.

다음과 같이 일산화이질소($N_{2}O$) 분해반응의 속도법칙이 주어질 때, 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

$2N_{2}O\to 2N_2+O_2$, $-r_{N_{2}O}=\frac{k_{N_{2}O}{C}_{N_{2}O}}{1+k^{\prime }{C}_{O_2}}$

직렬로 연결된 동일한 크기와 온도의 혼합흐름 반응기에서 1차 액상 반응이 진행될 때 전환율은 담쾰러(Damköhler) 수로 표시할 수 있다. 담쾰러 수가 1일 때, 전환율이 80 %를 넘기 위해 필요한 반응기의 최소 개수는?

액상 이성질화 평형반응 $A\rightleftarrows B$의 250 K에서 반응평형상수가 3.0이고, 반응열($\Delta H_{Rx}$)은 －8,314 J mol^-1이다. 400 K에서 이 반응의 반응평형상수를 $K_{400}$이라 할 때, $\ln K_{400}$ 값은? (단, $A$와 $B$의 열용량은 동일하고, 기체상수 $R$ ＝ 8.314 J mol^-1 K^-1, $\ln 3$ ＝ 1.1이다)

Thiele 계수는 촉매반응에서 속도결정단계를 판단할 수 있는 중요한 파라미터이다. Thiele 계수가 1보다 매우 작을 때, 속도결정단계는?

구형 고체 연료의 연소 과정은 수축핵 모델(shrinking core model)로 설명할 수 있다. 이 모델의 반응 5단계를 순서대로 바르게 나열한 것은? (단, 고체 연료의 크기는 변하지 않는다)

ㄱ. 기체 반응물이 입자를 둘러싸고 있는 기체경막을 통하여 고체 표면으로 확산하는 단계

ㄴ. 미반응 핵 표면에서 기체 반응물과 고체가 반응하는 단계

ㄷ. 기체 생성물이 기체경막을 통하여 유체 본체로 확산하는 단계

ㄹ. 기체 반응물이 회층(ash layer)을 통과하여 미반응 핵 표면으로 침투 및 확산하는 단계

ㅁ. 기체 생성물이 회층(ash layer)을 통과하여 고체 바깥표면으로 확산하는 단계

Arrhenius 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

비등온반응기를 설계할 때 온도와 전환율의 관계식을 얻기 위해 필요한 것이 아닌 것은?

등온 회분식 반응기에서 반응물 $A$와 촉매 $C$에 의하여 정밀도 균일계 촉매반응이 다음의 두 경로로 일어나고 있다. 이에 대한 속도식은? (단, $C_I$는 $I$의 농도이고, 두 반응은 모두 기초반응법칙을 따른다)

$A\stackrel{k_1}{\to }R$, $A+C\stackrel{k_2}{\to }R+C$

플러그흐름 반응기에서 반응물 $A$에 대해 다음 비가역 1차 액상 반응이 경쟁적으로 진행된다. 두 반응의 속도상수 값이 동일할 때, 생성물 $C$의 농도($C_C$)를 공간시간($\tau$)의 함수로 옳게 나타낸 것은? (단, $C_{A0}$는 $A$의 초기농도이며, 생성물 $B$와 $C$의 초기농도는 0이다)

$A\to B$, $r_1=k_1{C}_A$

$A\to C$, $r_2=k_2{C}_A$

회분식 반응기에서 균일계 액상 반응 $A\to B$를 진행하여 목표 전환율을 달성하는 데 걸린 반응시간이 15 min이다. 이 반응을 동일한 온도에서 운전되는 플러그흐름 반응기에서 진행한다. 반응물 $A$의 유입 몰유속은 50 mol min^-1, 유입 농도는 5 mol L^-1일 때, 목표 전환율을 달성하는 데 필요한 플러그흐름 반응기의 부피[L]는?

등온 플러그흐름 반응기에서 $2A\to B+C$인 비가역 기초반응을 액상에서 수행하여 반응물 $A$의 전환율을 25 %로 얻었다. 동일한 반응기 2개를 첫 번째 반응기에 추가하여 직렬로 연결했을 때, 얻을 수 있는 반응물 $A$의 최종 전환율[%]은?