개념 한 쪽
공정에서 물질의 흐름을 조작할 때 되돌림(recycle)과 우회를 자주 활용한다. 이들은 흐름 경로와 목적이 다르므로 물질 수지와 조성 변경 방식이 달라진다. 혼합물의 조성 계산과 기체-액체 상변화, 용해도 문제는 몰수 전환과 질량보존 원리를 이용해 풀이한다.
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출제기준 단원 「분류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 순환과 우회의 정의 판별 | 1 | 순환과 우회의 서로 다른 흐름 경로와 목적을 구별하라는 문제 |
| 연소 후 미반응 산소 계산 | 1 | 화학양론으로 필요 산소와 공급 산소 차이를 계산하라는 문제 |
| 과잉공기 조건에서 조성 계산 | 1 | 반응식과 과잉공기 비를 사용해 반응기 내 기체 조성을 구하라는 문제 |
되돌림(recycle)은 공정 출구의 일부를 다시 공정 입구로 되돌려 보내어 원료 이용 효율을 높이거나 미반응물을 회수하는 조작을 말한다. 되돌림은 루프(loop) 개념으로 이해하면 혼동을 피하기 쉽다.
우회(bypass)는 공정의 특정 장치를 거치지 않고 흐름을 건너뛰게 하거나 다른 흐름과 합류시키는 방식이다. 우회는 설비 부하를 줄이거나 전체 유량·조성을 조절하는 목적이므로 되돌림과는 흐름 경로와 효과 면에서 근본적으로 다르다.
이 두 조작은 연속 공정에서 모두 적용 가능하지만, 되돌림은 반응기 입구 농도와 전환율에 직접적인 영향을 줄 수 있고 우회는 혼합비 변화로 출구 조성을 조절하는 역할을 주로 수행한다. 따라서 문제에서 '순환과 우회의 효과가 같다'는 설명은 틀린 주장으로 판정해야 한다.
혼합물의 조성 계산은 몰수 개념을 사용하여 수행한다. 중량백분율로 주어진 경우 총질량을 100g 또는 1kg으로 가정하여 각 성분의 몰수를 구하고, 몰분율은 특정 성분의 몰수를 전체 몰수로 나누어 구한다. 기체를 액체로 전환할 때 질량은 보존되므로 표준상태에서의 기체 부피를 몰수로 바꾸고 분자량을 곱해 질량을 구한다.
화학양론 문제는 반응식의 계수비를 바탕으로 필요한 산소 또는 기타 시약의 이론량을 계산하고, 공급량과 차이를 취해 미반응물 양을 산출한다. 과잉 공기 등의 표현은 '이론량에 (1+과잉비)를 곱한 실제 공급량'으로 해석해야 한다.
예1: 순환과 우회의 구별을 묻는 문제는 정의에서 출발한다. 순환은 출구를 입구로 되돌리는 '되돌림'이고, 우회는 공정 구간을 '건너뜀'이나 '합류'로 처리하는 것이다. 선택지에서 두 용어를 혼동하거나 목적을 동일시하면 오답으로 판단한다.
예2: 319 kg의 공기와 24 kg의 탄소를 완전연소 시킬 때의 미반응 산소 계산 방법을 보인다. 탄소 24kg은 2 kmol이고 반응식 C+O2→CO2로 산소 필요량은 2 kmol(64kg)이다. 공기 중 산소 질량분율을 0.232로 적용하면 공급된 산소는 약 74kg이므로 미반응 산소는 74−64≈10kg으로 판단한다.
예3: 반응 4HCl+O2→...에서 30% 과잉 공기를 사용할 때 HCl의 부피조성 계산 방법을 보인다. 이론적으로 필요한 O2 몰수 대비 1.3배의 O2를 공급하고, 공기 중 산소의 부피조성 21%와 함께 질소를 고려하여 전체 기체몰수 대비 HCl 몰분율을 계산한다.
순환(recycle)과 우회(bypass)에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 순환과 우회 조작의 정의와 특성에 대한 설명 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 순환은 공정 출구 흐름의 일부를 다시 원료와 합쳐 공정 입구로 되돌려 보내는 것으로 미반응 원료의 회수 등에 쓰이고, 우회는 원료의 일부를 공정을 거치지 않고 출구 흐름과 합류시키는 것으로 처리 강도의 조절에 쓰인다.
우회와 순환은 흐름 경로와 목적에서 근본적으로 다르므로 조성 변화 패턴도 동일할 수 없다.
공기 319kg 과 탄소 24kg 을 반응로 안에서 완전연소 시킬 때 미반응 산소의 양은 약 몇 kg 인가?
정답 ① · 문제는 주어진 공기와 탄소를 완전연소시킬 때 남는 미반응 산소의 질량을 계산하는 것이다. 탄소 24 kg은 몰수로 24/12 = 2 kmol이고 C + O2 → CO2 반응에서 O2는 동일한 몰수(2 kmol) 필요하므로 필요한 O2 질량은 2 × 32 = 64 kg이다.
탄소 완전연소 반응식에서 필요 산소량을 계산하고, 공기 중 산소량에서 차감하여 미반응 산소를 구한다.
4HCl+O2→2H2O+2Cl2 의 반응으로 촉매 존재 하에 건조 공기로 건조 염화수소를 산화시켜 염소를 생산한다. 이때 공기를 30% 과잉으로 사용하면 반응기에 들어가는 기체 중 HCl 의 부피조성은 몇 %인가? (단, 공기 중의 산소의 부피조성이 21% 이다.)
정답 ② · 반응식 4HCl + O2 → 2H2O + 2Cl2 에서 이론적 O2 필요량은 HCl 4mol당 1mol입니다. 공기를 30% 과잉 사용하므로 실제 O2는 1.3mol 투입됩니다.
화학양론으로 이론 산소량을 구한 후 과잉 공기비를 적용하여 전체 몰수를 계산하면 HCl 부피조성 ②번이 된다.
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