7급 국가직 반응공학 2022년 기출문제

$\mathrm{A}\to 2B$ 기초반응에서 반응속도식이 $-r_{\mathrm{A}}=k{C}_{\mathrm{A}}^n$ [mol L^-1 s^-1]일 때, 이에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, $n$은 반응차수, $k$는 반응속도상수, $t$는 반응시간, $C_{\mathrm{A}}$는 $\mathrm{A}$의 농도, $C_{A0}$는 $\mathrm{A}$의 초기농도이다)

등온 플러그흐름반응기(PFR)에서 $\mathrm{A}\stackrel{k}{\to }\mathrm{B}$ 액상 1차 반응을 진행한다. $\mathrm{A}$를 99 % 전환하기 위해 필요한 공간시간[s]은? (단, 반응속도상수 $k$ ＝ 0.02 s^-1이고, ln10 ＝ 2.3이다)

등온 회분식반응기에서 순수한 $\mathrm{A}$를 반응물로 이용하여 $\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ 액상 0차 반응을 1시간 동안 진행하면 $\mathrm{A}$의 전환율은 40 %이다. 반응을 2시간 진행할 경우, $\mathrm{A}$의 전환율[%]은? (단, 다른 조건은 변함없다)

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 순수한 $\mathrm{A}$를 반응물로 이용하여 다음의 액상 반응을 동시에 진행한다. 반응물의 부피유량이 5 L min^-1이고, 반응기 부피가 100 L일 때, $\mathrm{A}$의 전환율은?

$\mathrm{A}\stackrel{k_1}{\to }\mathrm{B},r_{\mathrm{B}}=k_1{C}_{\mathrm{A}}$ [mol L^-1 min^-1], $k_1=$ 0.1 min^-1

$\mathrm{A}\stackrel{k_2}{\to }\mathrm{C},r_{\mathrm{C}}=k_2{C}_{\mathrm{A}}$ [mol L^-1 min^-1], $k_2=$ 0.4 min^-1

등온 회분식반응기에서 $\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ 액상 2차 반응을 진행한다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, $k$는 반응속도상수, $C_{\mathrm{A}}$는 $\mathrm{A}$의 농도, $C_{A0}$는 $\mathrm{A}$의 초기농도, $X_{\mathrm{A}}$는 $\mathrm{A}$의 전환율이다)

다공성 구형 촉매를 이용한 불균일계 촉매반응에서 내부유효인자와 Thiele 계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 $\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ 액상 2차 반응을 진행한다. CSTR 부피가 1 L일 때, $\mathrm{A}$의 전환율은 50 %이다. $\mathrm{A}$를 90 % 전환하기 위해 필요한 CSTR 부피[L]는? (단, 반응기 부피 이외의 다른 조건은 변화시키지 않는다)

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 순수한 $\mathrm{A}$를 반응물로 이용하여 반응속도식이 $-r_{\mathrm{A}}=k_f{C}_{\mathrm{A}}-k_b{C}_{\mathrm{B}}$인 $\mathrm{A}\underset{k_b}{\overset{k_f}{\rightleftarrows }}\mathrm{B}$ 가역 액상 기초반응을 진행한다. 이 반응의 농도평형상수와 $\mathrm{A}$를 50 % 전환하기 위해 필요한 공간시간[min]을 바르게 연결한 것은? (단, $C_j$는 $j$의 농도, $\mathrm{A}$의 초기농도는 2 mol L^-1, $k_f$는 0.2 min^-1, $k_b$는 0.1 min^-1이다)

농도평형상수 공간시간

등온 회분식반응기에서 $\mathrm{A}+2B\rightleftarrows 2C+\mathrm{D}$ 가역 액상 기초반응을 진행한다. $\mathrm{A}$와 $\mathrm{B}$의 초기농도는 각각 5 mol L^-1와 4 mol L^-1이다. 반응이 평형에 도달하였을 때 $\mathrm{B}$의 전환율이 50 %이면, 이 반응의 농도평형상수는? (단, $\mathrm{C}$와 $\mathrm{D}$의 초기농도는 0 mol L^-1이다)

Thiele 계수가 100 이상인 불균일계 고체 촉매반응을 외부확산이 속도제한단계가 아닌 유체속도에서 진행할 때, 다공성 구형 촉매입자의 지름이 감소함에 따라 총괄반응속도가 증가하였다. 이 반응의 속도제한단계는?

등온 회분식반응기에서 $2A+\mathrm{B}\to 3C+\mathrm{D}$ 액상 반응을 진행한다. $\mathrm{A}$와 $\mathrm{B}$의 초기농도가 각각 8 mol L^-1와 5 mol L^-1이고 제한반응물(limiting reactant)의 전환율이 80 %일 때, 제한반응물과 $\mathrm{C}$의 농도[mol L^-1]를 바르게 연결한 것은? (단, $\mathrm{C}$와 $\mathrm{D}$의 초기농도는 0 mol L^-1이다)

제한반응물 $\mathrm{C}$의 농도

다음은 등온 회분식반응기에서 진행된 반응물 $\mathrm{A}$의 비가역 액상 2차 반응 실험결과이다. 이 반응의 반응속도상수[L mol^-1 h^-1]는? (단, $C_{\mathrm{A}}$는 $\mathrm{A}$의 농도[mol L^-1]이다)

시간[h]	0	1	2	3	4
$C_{\mathrm{A}}$	$\frac{1}{20}$	$\frac{1}{30}$	$\frac{1}{40}$	$\frac{1}{50}$	$\frac{1}{60}$

다음 복합반응에서 반응물 $\mathrm{A}$에 대한 생성물 $\mathrm{S}$의 순간 수율($Y_{\mathrm{S}}$)은? (단, $r_j$는 $j$의 생성속도, $C_{\mathrm{A}}$는 $\mathrm{A}$의 농도, $Y_{\mathrm{S}}=\frac{r_{\mathrm{S}}}{-r_{\mathrm{A}}}$이다)

$\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ 등온 액상 1차 반응을 플러그흐름반응기(PFR)와 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 각각 진행한다. 두 반응기에 공급되는 반응물의 부피유량과 초기농도는 동일하다. 두 반응기에서 $\mathrm{A}$의 전환율($X_{\mathrm{A}}$)이 동일할 때, PFR 부피($V_{\mathrm{PFR}}$)와 CSTR 부피($V_{\mathrm{CSTR}}$)의 비($\frac{V_{\mathrm{PFR}}}{V_{\mathrm{CSTR}}}$)는?

$\mathrm{A}\rightleftarrows \mathrm{B}$ 가역 발열 반응에서 높은 전환율을 얻기 위해 그림과

같이 세 개의 단열 플러그흐름반응기(PFR)와 두 개의 냉각기를 조합하여 반응공정을 구성한다. 흐름에 따른 온도($T$)와 $\mathrm{A}$의 전환율($X_{\mathrm{A}}$)의 변화는 아래 그래프와 같다. (가) 위치에서의 흐름 온도가 600 K일 때, (나)와 (다) 위치에서 흐름 온도[K]를 바르게 연결한 것은?

(나) (다)

다음 반응메커니즘으로 오존(${\mathrm{O}}_3$)이 산소(${\mathrm{O}}_2$)로 분해된다.

$\begin{array}{rl}{\mathrm{O}}_3& \stackrel{k_1}{\to }{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}^{\bullet }\\ {\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}^{\bullet }& \stackrel{k_2}{\to }{\mathrm{O}}_3\\ {\mathrm{O}}_3+{\mathrm{O}}^{\bullet }& \stackrel{k_3}{\to }2{\mathrm{O}}_2\end{array}$

산소 라디칼(${\mathrm{O}}^{\bullet }$)에 유사 정상상태 가정(pseudo steady-state hypothesis)을 적용하여 유도한 오존의 소멸속도는? (단, 모든 반응은 기초반응이며, $k_1$, $k_2$, $k_3$는 반응속도상수이고, $C_j$는 $j$의 농도이다)

1 mol L^-1의 순수한 $\mathrm{A}$를 반응물로 이용하여 직렬로 연결된 두 개의 등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 $2A\to \mathrm{B}$ 액상 기초반응을 진행한다. 첫 번째 반응기 출구에서 $\mathrm{A}$의 농도가 0.5 mol L^-1이고, 두 번째 반응기 부피가 첫 번째 반응기 부피의 2배일 때, 두 번째 반응기 출구에서 $\mathrm{A}$의 농도[mol L^-1]는?

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 다음의 액상 반응을 진행한다.

$\mathrm{A}+\mathrm{B}\to \mathrm{R}+\mathrm{S}$

$-r_{\mathrm{A}}=2C_{\mathrm{A}}{C}_{\mathrm{B}}$ [mol L^-1 min^-1]

$\mathrm{A}$와 $\mathrm{B}$가 1 : 1.3의 몰비율로 혼합된 반응물이 반응기에 유입되며, 반응기 입구에서 $\mathrm{A}$의 농도는 2 mol L^-1이다. 반응기 부피는 2 L이고 출구에서 $\mathrm{A}$의 전환율이 80 %일 때, 반응기 입구에서 $\mathrm{A}$의 몰유량[mol min^-1]은? (단, $-r_{\mathrm{A}}$는 $\mathrm{A}$의 소멸속도, $C_j$는 $j$의 농도이다)

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 순수한 $\mathrm{A}$를 반응물로 이용하여 $\mathrm{A}\stackrel{k_1}{\to }\mathrm{B}\stackrel{k_2}{\to }\mathrm{C}$ 액상 1차 반응을 진행한다. $\mathrm{A}$의 전환율이 50 %일 때, 공간시간[min]과 출구에서 $\mathrm{B}$의 농도[mol L^-1]를 바르게 연결한 것은? (단, $\mathrm{A}$의 초기농도는 1 mol L^-1, $k_1$은 0.1 min^-1, $k_2$는 0.2 min^-1이다)

공간시간 $\mathrm{B}$의 농도

$V$는 효소반응속도[g L^-1 h^-1], $V_m$은 최대 효소반응속도[g L^-1 h^-1], $K_M$은 미카엘리스 상수[g L^-1], $C_{\mathrm{S}}$는 기질의 농도[g L^-1]일 때, 미카엘리스－멘텐(Michaelis-Menten) 식 $V=\frac{V_m{C}_{\mathrm{S}}}{K_M+C_{\mathrm{S}}}$을 따르는 효소－기질 반응을 진행한다. $\frac{C_{\mathrm{S}}}{V}$를 $C_{\mathrm{S}}$에 대해 도시하여 얻은 하네스－울프 플롯(Hanes-Woolf plot)의 기울기가 0.5이고 $C_{\mathrm{S}}=0$에서 절편이 1.5일 때, $V_m$과 $K_M$을 바르게 연결한 것은?

$V_m$ $K_M$

플러그흐름반응기(PFR) 뒤에 연속교반탱크반응기(CSTR)를 직렬로 연결하여 $\mathrm{A}\stackrel{k}{\to }\mathrm{B}$ 등온 액상 1차 반응을 진행한다. 각 반응기에서 공간시간이 동일할 때, CSTR 출구에서 $\mathrm{A}$의 농도는? (단, $C_{A0}$는 $\mathrm{A}$의 초기농도, $k$는 반응속도상수, $\tau$는 공간시간이다)

정상상태 단열 플러그흐름반응기(PFR)에서 3 mol L^-1의 순수한 $\mathrm{A}$를 반응물로 이용하여 상변화 없는 $\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ 발열 액상 반응을 진행한다. 반응기 입구와 출구에서 온도가 각각 400 K과 460 K일 때, 반응기 출구에서 $\mathrm{A}$의 전환율은? (단, 반응열 $\Delta H_R$ ＝ －25 kcal mol^-1, 반응기 부피당 열용량 $\rho C_p$ ＝ 1,000 cal L^-1 K^-1이며, $\Delta H_R$, $\rho$ 및 $C_p$는 모두 온도에 무관하며, 일정한 값을 갖는다)

$\mathrm{A}(g)+\mathrm{B}(g)\to \mathrm{C}(g)$ 기상 반응이 고체 촉매상에서 다음의 흡착 및 표면반응 과정을 거쳐 진행된다.

흡착: $\mathrm{A}(g)+\mathrm{S}\rightleftarrows \mathrm{A}\bullet \mathrm{S}$

표면반응: $\mathrm{A}\bullet \mathrm{S}+\mathrm{B}(g)\stackrel{k_s}{\to }\mathrm{C}(g)+\mathrm{S}$

정상상태에서 표면반응이 속도제한단계일 때, 총괄반응속도식으로 옳은 것은? (단, $\mathrm{S}$는 촉매 표면 활성점 위에 반응물이 흡착되지 않은 빈자리(vacant site), $\mathrm{A}\bullet \mathrm{S}$는 $\mathrm{S}$에 흡착된 $\mathrm{A}$, $C_t$는 촉매 표면 활성점의 전체 농도, $P_j$는 $j$ 기체의 분압, $K_a$는 흡착평형상수, $k_s$는 표면반응속도상수이다)

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 $\mathrm{A}+3B\to 2C$ 액상 반응을 진행한다. $\mathrm{C}$의 생성속도가 10 mol L^-1 s^-1이고 $\mathrm{A}$의 전환율이 90 %일 때, 공간시간[s]은? (단, $\mathrm{A}$의 초기농도는 10 mol L^-1이다)

다음은 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 비등온 반응이 진행될 때, 발생열 $G(T)$와 제거열 $R(T)$를 이용하여 다중정상상태의 $T$에 관한 안정성을 나타낸 그림이다. 안정적인 정상상태로 운전되고 있는 지점만을 (가) ～ (다)에서 모두 고르면? (단, $T$는 온도이다)