개념 한 쪽
도시가스는 메탄 등 연료 성분을 포함하는 연소성 가스로 다루어진다. 가스의 품질을 이해하려면 혼합가스의 밀도와 분압, 비중, 임계온도, 인화점, 폭발성 여부를 함께 구분한다. 이 개념은 연료가스의 성분과 물리적 특성을 계산하고 판별하는 문제로 이어진다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「도시가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 임계온도와 액화 가능성 판단 | 1 | 임계온도와 상온 액화 가능성의 관계를 가린다 |
| 불연성 기체 구분 | 1 | 공기와 혼합해도 폭발성 혼합 가스를 만들지 않는 기체를 가린다 |
| 혼합가스 분압 계산 | 1 | 몰수 비로 산소의 분압을 계산한다 |
도시가스는 메탄 등 연료 성분을 포함하는 가스로 제시된다. 연료가스는 성분 조성에 따라 연소성과 폭발성, 액화 가능성, 발열량이 달라진다. 따라서 가스의 이름만 외우지 않고 주성분과 물리적 성질을 함께 확인한다.
혼합가스의 성질은 성분의 몰수와 분자량으로 계산한다. 프로판과 부탄의 혼합가스는 각 성분의 밀도와 조성비를 일차방정식으로 묶어 전체 밀도에서 성분 비율을 구한다. 산소와 질소의 혼합가스에서는 각 질량을 분자량으로 나누어 몰수를 구하고, 전체 몰수에 대한 몰분율을 전체 압력에 곱해 분압을 계산한다. 여러 성분의 몰수를 알 때는 평균 분자량을 구한 뒤 공기 평균분자량 29로 나누어 비중을 구한다.
임계온도는 가압만으로 액화가 가능한 최고 온도이다. 임계온도가 상온보다 낮은 메탄은 상온에서 액화가 불가능하고 압축 가스로 취급된다. 수소와 질소도 임계온도가 낮아 상온 액화가 어렵다. 이산화황은 임계온도가 높아 상온에서 비교적 낮은 압력으로 액화가 가능하다. LPG는 프로판과 부탄의 혼합물로 공기보다 무거워 누출 시 바닥에 고이고, 발열량이 높으며 인화성이 강하다. LPG는 액화 상태로 저장·수송이 용이해 별도 고압 가압장치가 필요하지 않다는 점이 장점으로 제시된다.
연료가스의 주성분도 구분한다. 석탄가스는 수소 약 50%와 메탄 약 30%를 주성분으로 한다. 고로가스와 발생로가스는 일산화탄소와 질소가 주성분이고, 수성가스는 일산화탄소와 수소가 주성분이다. 공기와 섞여도 연소·폭발 반응을 일으키는 혼합 기체를 만들지 않는 대표적 불활성 기체로는 아르곤이 있다. 인화점 측정법은 개회식인 타그법과 폐회식인 펜스키 마르텐스법, 에벨펜스키법으로 구분하고, 봄브법은 발화점 측정에 쓰는 방법으로 구분한다. 파라핀계 탄화수소는 탄소 수가 증가할수록 분자량이 커져 폭발하한계가 낮아지는 경향을 보인다.
프로판과 부탄의 혼합가스 밀도가 표준상태에서 2.25kg/m³이다. 프로판 밀도를 약 1.964kg/m³, 부탄 밀도를 약 2.589kg/m³로 두고 프로판 비율을 x라 하면 1.964x + 2.589(1-x) = 2.25가 된다. 이 식을 풀면 x는 약 0.5428이므로 프로판 조성은 약 54.28%가 된다.
질량 기준으로 산소 64kg과 질소 14kg을 섞은 가스가 20기압을 나타낸다. 산소 몰수는 64,000÷32=2,000몰이고 질소 몰수는 14,000÷28=500몰이다. 전체 몰수는 2,500몰이고 산소 몰분율은 2,000÷2,500=0.8이다. 전체 압력 20기압에 0.8을 곱하면 산소 분압은 16기압이 된다.
기체의 임계온도에 관한 다음 사항 중 맞는 것은?
정답 ③ · 문항은 임계온도 개념과 특정 기체들의 상온 액화 가능성을 묻고 있다. 임계온도보다 높은 온도에서는 아무리 가압해도 액화시킬 수 없고, 메탄은 임계온도가 상온보다 훨씬 낮아 상온에서 단순 압축으로 액화가 불가능하다.
임계온도 이하에서만 가압하여 액화가 가능하며, 메탄은 임계온도가 낮아 상온에서는 액화가 불가능하다.
다음 가스 중 공기와 혼합될 때 폭발성 혼합 가스를 형성하지 않는 것은?
정답 ① · 문항은 공기와 혼합했을 때 폭발성 혼합을 만들지 않는 기체를 묻고 있다. 아르곤은 비활성 기체로 연소성이나 폭발성을 가지지 않으므로 공기와 혼합되어도 폭발성 혼합을 형성하지 않는다.
불연성 기체인 아르곤은 공기와 혼합되어도 폭발성 혼합 가스를 형성하지 않는다.
산소 64kg과 질소 14kg의 혼합가스가 나타내는 전압이 20기압이다. 이 때 산소의 분압은?(단, O2 분자량=32, N2 분자량=28)
정답 ③ · 문항은 주어진 질량으로 섞인 두 기체의 분압을 묻고 있다. 분압은 각 기체의 몰분율에 전체 압력을 곱하여 구하므로 먼저 각 기체의 몰수를 계산한다: 산소 몰수 = 64kg ÷ 32 = 2.0 kmol, 질소 몰수 = 14kg ÷ 28 = 0.5 kmol이다.
라울의 법칙에 따라 혼합 가스의 분압은 전체 압력에 대한 각 기체의 몰 분율 비례로 계산되며, 산소의 몰 분율을 구해 전체 압력에 곱하면 정답이 나온다.
가스산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.