第3章　専門科目の四分野を読む

専門科目は8月26日の180分で、無機・物理化学3題、有機化学3題、生物化学4題、化学工学4題の合計14題から4題を選びます。選択は2分野以上にまたがる必要があります。

化学工学分野は、反応工学、機械的単位操作（レオロジーを含む）、分離工学、プロセスシステム（制御を含む）の4題です。

化学工学の四題を全部解くと選択数は4になりますが、分野数は1のままです。公式条件を満たすには、無機・物理化学、有機化学、生物化学のどれかから少なくとも1題を含めます。

化学工学から安定して選べる2〜3題を作り、既修科目との重なりが大きい隣接分野から1〜2題を準備します。過去問を一度時間内に解き、正答率ではなく「設問の意味を読めたか」「式を立てられたか」で選択候補を比較します。

問1は気相反応A+3B→Rを回分完全混合槽で行い、定容と定圧で転化率、モル分率、濃度、圧力を求めます。問2は実在反応器をN個の槽型反応器の直列で表し、一次不可逆反応の物質収支と混合度を扱います。

反応進行度が同じでも、気相の総モル数が変われば定容では圧力が、定圧では体積が変わります。濃度を初期体積で機械的に割らず、どの量を一定にしたモデルかを先に決める問題です。

初期、変化、終了の三行にA・B・R・全モル数を並べ、転化率から各モル数を式で表します。その表を定容・定圧の両ルートへ分岐させると、物質量と状態方程式を混ぜにくくなります。

2025年実施問題は、粒子沈降の運動方程式と抵抗係数、凝析粒子集合体のみかけ密度・終末沈降速度、遠心沈降時間を扱います。別問では粒子分散流体の相対粘度、粒径比、せん断速度依存を扱います。

抵抗係数は粒子Reynolds数の範囲で式が切り替わります。まず仮の範囲で速度を計算し、得られたReynolds数が仮定した範囲に入るかを戻って確かめる必要があります。

重力、浮力、抗力、遠心力を矢印で置き、定常なら加速度項がゼロになることを示します。密度差の符号、粒径の二乗依存、mPa・sからPa・sへの変換を最後に点検します。

2025年実施問題は、CO2の向流ガス吸収と総括物質移動係数、CO2/N2の膜分離と分離係数・膜面積、多段蒸留とMcCabe–Thiele法・最小還流比を扱います。

Henry則や気液平衡は「十分に接触したときにどこまで行くか」を示し、物質移動係数は「どの速さで近づくか」を示します。膜透過係数や蒸留の操作線も、同じ式の暗記ではなく役割を分けて読みます。

吸収なら実際の分圧と平衡分圧の差、膜なら膜両側の分圧差、蒸留なら平衡線と操作線の関係を先に言葉で確認します。式変形の前に、ゼロになる条件と符号を説明します。

2025年実施問題は、脱硫設備と燃料選択のお金の時間価値、硝酸濃縮プロセスのリサイクル・パージを含む物質収支、一次遅れとむだ時間を持つ温度制御系の周波数応答と安定性を扱います。

リサイクルを含むフローでは、装置一台を囲む収支と、全プロセスを囲む収支で消える内部流が違います。制御では装置の動特性と調節計をブロックごとに分け、閉ループで再接続します。

各ストリームに流量と組成、各制御ブロックに入力・出力と単位を書き、問題文の番号を自分の図へ移します。計算結果は全体収支、組成和、位相の向きで戻り検算します。