개념 한 쪽
공정에서 흐름을 되돌려 보내는 순환(recycle)과 장치를 우회하는 우회(bypass)는 경로와 목적이 다르다. 순환은 미반응물 회수나 원료 재사용으로 전환율을 높이려는 목적이고, 우회는 장치 부하 조절이나 조성 조절을 위한 흐름 경로 변경이다. 농도·유량·압력 조건을 고려한 물질수지 계산이 순환 공정 설계의 기본이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「순환」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 순환과 우회 개념 판별 | 1 | 순환과 우회의 정의와 목적 차이를 가려내는 문장 선택 |
| 혼합가스 농도 계산 | 1 | 질량유량 균형과 압력 보정을 적용해 혼합물 농도를 계산 |
| 연소 생성기체 부피 계산 | 1 | 질량→몰수→반응비→표준상태 부피 순으로 계산하는 화학양론 |
순환은 공정 출구의 일부 흐름을 원래 공정 입구로 되돌려 보내는 조작으로 정의한다. 순환의 핵심은 '되돌림'이며, 미반응물 회수나 원료 이용 효율 향상을 목적으로 사용한다. 순환회로는 루프(loop) 형태를 이루므로 공정 내 농도와 유량 분포에 큰 영향을 미치며 물질수지에서 순환분을 고려해 계산해야 한다.
우회는 공정의 특정 구간을 통과하지 않고 흐름을 건너뛰거나 다른 흐름과 합쳐지는 조작으로 정의한다. 우회의 핵심은 '건너뜀' 또는 '합류'이며, 장치 부하를 줄이거나 출구 조성을 조절하는 데 주로 사용한다. 우회는 순환과 달리 되돌려 보낸다는 의미가 없으므로 흐름 구조와 조성 변화 패턴이 근본적으로 상이하다.
두 조작은 연속 공정에서도 사용되지만 목적과 효과가 다르므로 동일한 결과를 만든다고 볼 수 없다. 순환은 반응기 입구 농도와 전환율·선택도에 영향을 주는 반면, 우회는 단순히 혼합비를 변화시켜 출구 조성을 조절하는 역할을 수행한다. 따라서 문제에서는 '순환=되돌림, 우회=건너뜀'이라는 기본 정의를 먼저 떠올려야 한다.
순환을 포함한 공정 문제는 질량유량 균형을 통해 해석한다. 순환분을 포함한 전체 유량과 성분의 질량유량 보존을 세워 농도나 유량을 구하며, 혼합기의 압력이나 온도 조건이 주어지면 적절히 보정해 계산해야 한다. 연소나 생성물 부피 계산처럼 화학양론이 필요한 경우에는 질량→몰수→반응비→부피의 순서로 단계적으로 접근해야 한다.
문제: 한 혼합기로 순수 질소와 CCl4를 함유한 질소가 각각 들어와 혼합되어 분석기로 보내진다. CCl4가 포함된 질소는 0.2 L/min이며, 그 혼합가스 1 L에 CCl4가 280 mg 들어 있으며, 혼합기가 분석기로 보내는 총 유량은 10 L/min이다. 혼합기 내 CCl4 농도(mg/L)를 구하라. (혼합기 게이지압 8 cmH2O가 주어짐)
풀이: CCl4의 질량 유입속도는 280 mg/L × 0.2 L/min = 56 mg/min이다. 혼합기 출구 총 유량이 10 L/min이므로 기본 농도는 56 mg/min ÷ 10 L/min = 5.6 mg/L가 된다. 게이지압 8 cmH2O는 약 0.0078 atm이므로 절대압 보정(대기압 1 atm에 더함)을 적용하면 농도는 5.6 × (1 + 0.0078) ≈ 5.64 mg/L가 된다. 이 계산에서는 질량유량 균형을 먼저 세우고 나서 주어진 압력 조건을 보정하는 절차를 따른다.
추가 예: 탄소 3 g이 완전 연소하여 생성된 CO2의 표준 상태 부피를 구할 때는 질량을 몰수로 바꾸고 반응비를 적용한다. 탄소 3 g → 3/12 = 0.25 mol CO2 생성, 표준상태 1 mol = 22.4 L이므로 부피는 0.25 × 22.4 = 5.6 L가 된다. 이 예는 질량→몰수→반응비→부피의 흐름을 따르는 전형적인 화학양론 문제에 해당한다.
가스분석기를 사용하여 사염화탄소를 분석하고자 하는데 한쪽에서는 순수 질소가 유입되고 다른 쪽에서는 가스 1L당 280mg의 CCl4를 함유하는 질소가 0.2L/min 의 유속으로 혼합기에 유입되어 혼합된다. 혼합가스가 대기압 하에서 10L/min 의 유량으로 가스분석기에 보내질 때 온도가 24℃로 일정하다면 혼합기 내 혼합가스의 CCl4 농도(mg/L)는? (단, 혼합기의 게이지압은 8cmH2O 이다.)
정답 ② · 질소의 유량이 명시되지 않았으나, 혼합기의 유출량이 10L/min이고 CCl4 유입량이 0.2L/min이므로 질소 유입량은 9.8L/min임을 유추할 수 있습니다. CCl4의 질량 유입 속도는 280mg/L * 0.2L/min = 56 mg/min입니다.
질량유량 균형을 통해 CCl4 유입량을 총 유량으로 나누고, 압력 보정을 통해 실제 농도를 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.
탄소 3g이 산소 16g 중에서 완전 연소되었다며 연소 후 혼합기체의 부피는 표준 상태를 기준으로 몇 L인가?
정답 ② · 문항은 주어진 탄소와 산소 질량으로 완전연소 시 생성되는 기체 혼합물의 부피를 표준상태 기준으로 묻는다. 탄소 3 g은 탄소 원자량 12 g/mol로 0.25 mol이고 완전연소 시 CO2로 전환되어 CO2 생성량은 0.25 mol이다.
탄소 3g은 0.25mol이므로 완전 연소 시 이산화탄소 0.25mol이 생성되며, 표준상태에서 부피는 22.4L/mol을 곱해 5.6L가 된다.
화공기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.