연소반응식과 이론산소량

Combustion Reactions and Theoretical Oxygen

연소반응식은 탄소·수소·황이 산소와 결합하는 비율을 고정해요. 이론산소량은 그 비율에서 바로 뽑아내는 첫 계산이에요. 이후 공기량·가스량 전 계산의 씨앗이에요. 원소 조성을 바꿔 이론산소량이 어떻게 나오는지 따라가 봐요.

연소는 산소와의 정량적 결합이다

연소는 연료 속의 탄소·수소·황이 산소와 결합해 열을 내는 화학반응입니다. 각 원소가 산소와 결합하는 비율은 반응식으로 정해져 있어, 연료의 원소조성만 알면 필요한 산소량을 정확히 계산할 수 있습니다. 이 계산이 연소계산의 출발점입니다.

👀 세 개의 연소반응식

①탄소: C + O₂ → CO₂ (1몰의 C에 1몰의 O₂)

②수소: H₂ + ½O₂ → H₂O (1몰의 H₂에 ½몰의 O₂)

③황: S + O₂ → SO₂ (1몰의 S에 1몰의 O₂)

④연료 속 산소는 이미 결합된 몫이라 필요 산소에서 빼준다

원소조성으로 이론산소량 O₀ 유도하기

탄소 C85 %

수소 H12 %

황 S2 %

📏 계수는 어디서 나오나 (표준상태 22.4 Nm³/kmol)

①C: 1kg = 1/12 kmol, O₂ 같은 몰수 → (1/12)×22.4 = 1.867 Nm³

②H: 1kg = 1/2 kmol H, O₂ 1/4 kmol → (1/4)×22.4 = 5.6 Nm³

③S: 1kg = 1/32 kmol, O₂ 같은 몰수 → (1/32)×22.4 = 0.7 Nm³

④연료 산소 O는 (1/32)×22.4 = 0.7배로 감산 (5.6×O/8 = 0.7O)

연료 속 산소는 왜 빼주는가

연료에 이미 산소(O)가 들어 있으면 그만큼은 외부에서 공급할 필요가 없습니다. 그래서 이론산소량 식에는 연료 산소를 감산하는 항이 붙습니다. 수소의 산소 요구를 기준으로 보면 연료 산소는 수소 O/8과 짝을 이루므로, 감산 계수는 0.7이 됩니다.

🔑 유효수소 개념

①연료 산소는 수소 일부와 이미 물(H₂O)로 결합돼 있다고 본다

②결합에 쓰인 수소 = O/8 (질량비 H:O = 2:16 = 1:8)

③실제 연소에 쓰이는 유효수소 = H - O/8

④그래서 5.6(H - O/8) = 5.6H - 0.7O 로 정리된다

핵심 공식

이론산소량 (체적)

O₀ = 1.867C + 5.6H + 0.7S - 0.7O

단위 Nm³/kg, C·H·S·O는 질량분율 (0~1)

유효수소로 정리

O₀ = 1.867C + 5.6(H - O8) + 0.7S

연료 산소를 수소 O/8과 짝지어 감산

질량 기준 이론산소량

O₀ = 2.667C + 8H + S - O

kg/kg 단위 (참고, 체적식과 구분)

핵심 정리와 시험 포인트

🎯 시험 포인트

①체적 이론산소량 O₀ = 1.867C + 5.6H + 0.7S - 0.7O [Nm³/kg]

②계수 1.867·5.6·0.7 은 22.4 Nm³/kmol에서 유도 (암기 필수)

③질량식 O₀ = 2.667C + 8H + S - O [kg/kg] 와 혼동 주의

④연료 산소 O는 반드시 감산, 유효수소 = H - O/8

⑤C·H·S·O는 항상 질량분율(합 1)로 대입

📝 대표 기출문제

①[기출유형] C=0.85, H=0.12, S=0.02, O=0 인 중유의 O₀는? (답: 1.867×0.85 + 5.6×0.12 + 0.7×0.02 = 1.587+0.672+0.014 ≒ 2.273 Nm³/kg)

②[기출유형] 탄소 1kg 완전연소에 필요한 이론산소량(체적)은? (답: 1.867 Nm³)

③[기출유형] 수소 1kg 연소에 필요한 산소량(체적)은? (답: 5.6 Nm³)