개념 한 쪽
암모니아는 질소비료와 화학원료의 핵심 물질로서 주로 질소와 수소의 반응으로 합성한다는 점이 중요하다. 합성용 수소는 수성가스 제조나 수증기 개질 등으로 얻으며, 반응장치의 설계 변수로 공간속도 등의 개념을 사용한다는 점을 숙지한다.
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출제기준 단원 「암모니아」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 비료 원료·제법 연결 | 1 | 비료명과 제조 원료 또는 처리법의 매칭을 고르기 |
| 수성가스 생성물 판단 | 1 | 탄소와 수증기 반응의 주요 생성물을 식별하기 |
| 촉매 공정 변수 정의 | 1 | 촉매 면적당 가스 통과량을 의미하는 용어를 묻기 |
암모니아 합성은 질소(N2)와 수소(H2)가 반응하여 암모니아(NH3)를 생성하는 과정이며, 이 반응은 발열 반응이라는 성질을 가진다. 발열 반응이므로 온도를 높이면 평형은 역반응 쪽으로 이동하여 암모니아의 평형 농도는 감소한다. 또한 반응 전후의 기체 분자수가 감소하므로 압력을 높이면 평형은 생성물 쪽으로 이동하여 암모니아의 평형 농도는 증가한다.
합성용 수소는 다양한 방법으로 얻는데, 코크스나 탄소계 연료에 수증기를 통하면 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성되는 수증기 개질 반응이 일어난다. 이 혼합가스를 수성가스라 부르며, 수성가스의 주성분은 CO와 H2이다. 수성가스 제조의 기본 반응식은 C + H2O → CO + H2이다.
촉매 반응 공정의 설계에서는 공간속도라는 지표를 사용한다는 점을 이해한다. 공간속도는 단위 촉매 표면적당 단위 시간에 통과하는 원료가스의 부피를 표준상태로 환산하여 나타내는 값으로, 촉매가 단위 면적에서 처리할 수 있는 가스량을 평가하는 핵심 변수이다. 촉매 자체는 평형 위치를 바꾸지 않고 반응 속도만을 증가시키므로 촉매의 역할을 평형과 구분하여 이해해야 한다.
암모니아 관련 공정에서는 촉매·장치 재료·부자재 선정도 중요하다는 점을 기억한다. 예컨대 암모니아 산화나 고온 전환로 등의 고온 공정에서는 적절한 촉매와 내열·내식성이 높은 합금이나 강이 요구된다. 질소비료 종류 중에는 암모니아를 원료로 하지 않는 제품도 있으며, 석회질소는 암모니아가 아닌 카바이드와 질소의 고온 반응에서 유래한다.
황산용액에 암모니아를 주입해 황산암모늄을 제조하여 결정이 석출되는 문제는 총 생성량에서 용해도에 용해된 양을 빼는 방식으로 계산한다. 예시로 85wt% 황산 1000kg에서 순수 황산은 850kg이고, 이로부터 생성되는 총 황산암모늄은 약 1144.9kg이 된다. 반응 후 남은 물 150kg에 대한 용해도(97.5g/100g H2O)를 적용하면 약 146.2kg이 용해되어 남으므로, 석출되는 결정량은 대략 998.7kg이 된다.
중과린산석회의 제법으로 가장 옳은 설명은?
정답 ④ · 중과린산석회(triple superphosphate)는 인광석을 인산으로 처리하여 제조합니다. 이때 주성분인 인산칼슘(Ca3(PO4)2) 중 수용성인 일인산칼슘(Ca(H2PO4)2)의 비율을 극대화하는 반응이 일어납니다.
중과린산석회는 인광석을 인산으로 처리하여 수용성 일인산칼슘을 생성하는 공법이다.
암모니아 합성공업에 있어서 1000℃ 이상의 고온에서 코크스에 수증기를 통할 때 주로 얻어지는 가스는?
정답 ① · 문항은 고온에서 코크스(탄소)에 수증기를 통과시킬 때 생성되는 가스를 묻는다. 고온에서의 수증기-탄소 반응은 수증기 개질 반응으로 C + H2O → CO + H2 형태로 일산화탄소와 수소가 주로 생성된다.
고온에서 코크스(C)와 수증기(H2O)가 반응하면 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성되는 수증기 개질 반응이 주로 일어난다.
암모니아 합성공정에 있어서 촉매 1m² 당 1시간에 통과하는 원료가스(0℃, 760mmHg 환산)의 m² 수를 무엇이라고 하는가?
정답 ③ · 문제는 촉매 단위 면적당 단위 시간에 통과하는 원료 기체의 양을 가리키는 용어를 묻고 있다. 이 물리량은 공간속도(또는 GHSV)로 정의되며 단위 촉매 표면적당 시간당 통과하는 기체 부피를 나타낸다.
공간속도는 단위 촉매 표면적당 단위 시간당 통과하는 기체 부피를 의미하며, 공정의 효율성을 평가하는 핵심 지표입니다.
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