【환경화학】 2007 국가공무원 5급(기술) 제1문

2007 국가공무원 5급(기술) 제1문^]

 

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a. 열역학

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당근 님 지적사항 수정 (23.12.12)

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Q. 메탄 54%, 이산화탄소 37%, 질소 8%, 산소 1%를 포함하고 있는 매립지가스(Landfill Gas)를 이용하여 에너지 회수를 하려고 한다. (단, 표준생성엔탈피는 메탄 -17.89 (kcal/mol), 이산화탄소 -94.05 (kcal/mol), 물 -68.32 (kcal/mol), 수증기 -57.80 (kcal/mol)로 하고, 답은 소수둘째자리까지 구하시오.

 

Q1. 메탄이 물과 이산화탄소로 연소될 때 표준엔탈피 변화량(kcal/mol)을 구하시오. 

 

A1. 

○ 화학 반응식 : CH₄ (g) + 2O₂ (g) → CO₂ (g) + 2H₂O (l)

○ 표준엔탈피 변화량 (ΔHº) = ΔHº_f (CO₂ (g)) + 2 × ΔHº_f (H₂O (l)) - ΔHº_f (CH₄ (g)) - 2 × ΔHº_f (O₂ (g)) = -212.80 (kcal/mol)

 

Q2. 25 ℃에서 위 매립지가스 1 ㎥에 의해 얻을 수 있는 고위발열량 (kcal/㎥)과 저위발열량 (kcal/㎥)을 구하시오.

 

A2. 

○ 물의 증발잠열(Hs) = (-57.80) - (-68.32) = 10.52 (kcal/mol)

○ 고위발열량(Hh; higher heating value) = | ΔHº | = 212.80 (kcal/mol CH₄)

○ 정의 : 연료가 연소할 때 발생되는 총 발열량

○ 즉, 연료 내의 모든 탄소가 이산화탄소로, 모든 수소가 물로 변환됐을 때의 열량

○ 연료를 태웠을 때 생기는 수증기가 액체 상태로 응축되면서 방출하는 열도 포함

○ 저위발열량(Hl; lower heating value) = | ΔHº | - ∑ Hs = 212.8 - 2 × 10.52 = 191.76 (kcal/mol CH₄)

○ 정의 : 고위발열량에서 물의 증발잠열을 제외 

○ SATP(25 ℃, 1 bar)에서 기체 1몰의 부피 = 24.79 L 

○ 주어진 비율이 부피 퍼센트인 경우 

○ 매립지가스 1 ㎥에 포함된 메탄의 몰수 = 1 ㎥ × 0.54 × 1000 L/㎥ × 1 mol / 24.79 L = 21.78 mol 

○ (참고) 매립지가스 1 ㎥에 포함된 산소의 몰수 = 1 ㎥ × 0.01 × 1000 L/㎥ × 1 mol / 24.79 L = 0.40 mol 

○ 단, 고위발열량 계산 시, 산소를 풍부하게 제공하므로 산소의 양을 고려하지는 않음

○ 1 ㎥ 당 Hh = 212.80 × 21.78 = 4634.784 kcal

○ 1 ㎥ 당 Hl = 191.76 × 21.78 = 4176.533 kcal  

○ 주어진 비율이 질량 퍼센트인 경우

○ 메탄 몰수 : 이산화탄소 몰수 : 질소 몰수 : 산소 몰수 = 54 / 16 : 37 / 44 : 8 / 28 : 1 / 32  

○ 매립지가스 1 ㎥에 포함된 메탄의 몰수 = 1 ㎥ × (54 / 16) / (54 / 16 + 37 / 44 + 8 / 28 + 1 / 32) × 1000 L/㎥ × 1 mol / 24.79 L = 30.03 mol

○ (참고) 매립지가스 1 ㎥에 포함된 산소의 몰수 = 1 ㎥ × (1 / 32) / (54 / 16 + 37 / 44 + 8 / 28 + 1 / 32) × 1000 L/㎥ × 1 mol / 24.79 L = 0.28 mol

○ 단, 고위발열량 계산 시, 산소를 풍부하게 제공하므로 산소의 양을 고려하지는 않음

○ 1 ㎥ 당 Hh = 212.80 × 30.03 = 6390.384 kcal

○ 1 ㎥ 당 Hl = 191.76 × 30.03 = 5758.553 kcal

 

입력: 2022.11.12 10:26

수정: 2023.12.12 01:22