개념 한 쪽
대기환경기사 연소가스량 및 성분분석 — 탄소 보존과 Orsat 분석
연소가스량 및 성분분석 세트는 「배기가스의 조성에서 연료의 조성이나 공급 공기량을 되짚는」 문제를 묻는다. 탄소 원자 수가 연소 전후로 보존된다는 점을 쓰는 역산과, Orsat 분석 결과로 과잉공기계수를 구하는 계산이 중심이다. 같은 10문항을 쓰는 오염물질의 농도계산 카드는 ppm과 부피분율 쪽을 맡고, 이 카드는 가스량과 조성 쪽을 맡는다.
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뜻
탄소 보존이 역산의 열쇠이다. 프로판 1몰은 이산화탄소 3몰을, 에탄 1몰은 2몰을 만든다. 혼합가스 1Sm³ 중 프로판을 x, 에탄을 y라 하면 x와 y를 더한 값이 1이고, 3x에 2y를 더한 값이 생성된 이산화탄소 2.8Sm³가 된다. 이 두 식을 풀면 x는 0.8, y는 0.2가 되고, 프로판과 에탄의 몰비는 0.8을 0.2로 나눈 4.0이 된다. 배기가스에서 되짚는 문제는 이처럼 생성물의 계수를 세워 연립방정식으로 푼다.
Orsat 분석은 배기가스의 조성에서 공급 공기량을 되짚는 방법이다. 이산화탄소와 산소를 재고 나면 나머지는 질소이므로, 이산화탄소 15%에 산소 5%라면 질소는 80%가 된다. 배기가스의 질소와 산소 비율로 공급 공기량을 역산하면 과잉공기계수는 약 1.31이 된다. 이산화탄소 15%에 산소 6%, 질소 79%인 문항은 약 1.4가 된다. 남은 산소가 많다는 것은 공급한 공기가 그만큼 남았다는 뜻이므로, 산소가 늘면 과잉공기계수도 커진다.
이산화탄소 농도로도 계수를 되짚는다. 프로판의 최대탄산가스량은 약 22.5%이고, 건연소가스 중 이산화탄소가 10%인 문항의 공기 과잉계수는 약 1.35로 제시된다. 다만 최대값을 측정값으로 단순히 나누는 비례는 성립하지 않는다고 재료의 해설이 적고 있으므로, 계산값과 보기의 관계를 그대로 외우기보다 농도가 낮을수록 과잉공기가 많아진다는 방향으로 판단한다.
최대탄산가스량은 이론 공기량으로 완전연소했을 때 연소가스 중 이산화탄소가 가질 수 있는 최고 농도이다. 공기를 더 넣으면 이산화탄소의 양은 그대로인데 전체 연소가스량이 늘어 농도가 희석되므로, 실제 공기량을 기준으로 삼으면 최대값이 될 수 없다. 그래서 「최대」라는 말에는 이론 조건이 따라붙는다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 탄소 보존 식 흔들기 — 성분마다 생성되는 이산화탄소 계수를 바꾸어 세우거나 연립방정식의 합 조건을 빠뜨린 선지가 틀린다. ② 질소 구하기 누락 — Orsat 분석에서 남은 질소를 구할 때 이산화탄소와 산소를 빼지 않은 선지가 오답이다. ③ 방향 뒤집기 — 배기가스의 남은 산소가 많을수록 과잉공기계수가 작아진다고 적은 선지를 소거한다. ④ 최대탄산가스량의 기준 바꾸기 — 실제 공기량으로 연소했을 때의 최고 농도라고 적은 선지가 틀린다.
자주 묻는 물음
- 혼합가스의 몰비는 어떻게 역산하나요?
- 성분마다 생성되는 이산화탄소의 몰수를 계수로 삼아 연립방정식을 세웁니다. 프로판은 3, 에탄은 2이므로 x와 y를 더해 1, 3x에 2y를 더해 생성된 이산화탄소량이 되는 두 식을 풀면 몰비가 나옵니다.
- Orsat 분석 결과로 과잉공기계수를 어떻게 구하나요?
- 이산화탄소와 산소를 더한 값을 100에서 빼서 질소를 먼저 구합니다. 이산화탄소 15%에 산소 5%라면 질소가 80%가 되고, 배기가스의 질소와 산소 비율로 공급 공기량을 되짚으면 과잉공기계수는 약 1.31입니다. 산소가 6%로 늘면 계수도 약 1.4로 커집니다.
- 최대탄산가스량은 어떤 기준인가요?
- 이론 공기량으로 완전연소했을 때 연소가스 중 이산화탄소가 가질 수 있는 최고 농도입니다. 공기를 더 넣으면 전체 연소가스량이 늘어 농도가 희석되므로 실제 공기량 기준으로는 최대값이 나오지 않습니다.
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