Quim. Nova, Vol. 32, No. 7, 1698-1703, 2009Ar

tigo

*e-mail: rene@ita.br

MODELAGEM DA COMBUSTO DA DINITRAMIDA DE AMNIO POR SIMULAO COMPUTACIONAL

Rene Francisco Boschi Gonalves*, Jos Atlio Fritz Fidel Rocco, Koshun Iha e Francisco Bolivar Correto MachadoDepartamento de Qumica, Instituto Tecnolgico de Aeronutica, Praa Mal. Eduardo Gomes, 50, 12228-900 So Jos dos Campos SP, Brasil

Recebido em 7/4/08; aceito em 25/3/09; publicado na web em 4/8/09

AMMONIUM DINITRAMIDE COMBUSTION MODELING BY COMPUTATIONAL SIMULATION. In this work, the combustion process of ammonium dinitramide, ADN, has been modeled in two different situations: decomposition in open environment, with abundant air and decomposition in a rocket motor internal environmental conditions. The profiles of the two processes were achieved, based on molar fractions of the species that compose the products of ADN combustion. The velocity of formation and quantity of species in the open environment was bigger than the ones in the rocket motor environment, showing the effect of the different atmosphere in the reactions kinetics.

Keywords: ADN, Chemkin, combustion.

INTRODUO

A dinitramida de amnio (ADN) objeto de pesquisa na rea de qumica de materiais energticos, tendo em vista sua aplicao como material oxidante alternativo ao perclorato de amnio (AP) para emprego em formulaes de propelentes slidos do tipo compsito. Isto se deve alta energia da decomposio trmica da ADN com gerao de produtos de combusto no-halogenados.1-3 Entre outras caractersticas, a ADN pode aumentar substancialmente o contedo energtico dos propelentes4 pelo aumento do impulso especfico (Isp) da formulao. O Isp o principal parmetro balstico de um propelente, quer seja slido, lquido ou hbrido.5

Os resduos gerados pela ADN so menos agressivos ao meio ambiente, se comparados aos resduos de outros materiais6 como, por exemplo, o perclorato de amnio (AP). A ADN j empregada em diversas formulaes de propelentes,6 tornando-se assim um forte candidato substituio dos sais oxidantes convencionais, tais como o nitrato de amnio, nitrato de potssio e o AP na propulso slida.7

O emprego efetivo da ADN como espcie qumica oxidante em formulaes de propelentes e explosivos, entre outros, necessita ainda de uma investigao detalhada do comportamento de queima do material para que se maximize nestas formulaes alto desem-penho energtico, medido principalmente pelo Isp, aliado baixa emisso de fumaa (smokeless)8 e ao comportamento balstico do gro propelente slido.

No processo de queima do gro propelente slido, as informaes sobre as temperaturas desenvolvidas pela chama, bem como sobre as espcies qumicas presentes na regio desta, so importantes para a compreenso dos mecanismos envolvidos na fase condensada, alm das reaes elementares presentes na chama.4

A dinitramida de amnio (Figura 1) obtida por processo de amonlise de dinitraminas, formadas por nitrao de uretanos, ,-iminodipropionitrila ou nitramida, e possui alto balano de oxignio e alta entalpia de formao.1 Por balano de oxignio compreende-se a massa de O2 faltante ou em excesso para transformar todo o carbono, ou fonte de combustvel, em CO2 e todo o hidrognio em H2O dividida pela massa molar da espcie qumica considerada (ADN) multiplicada por 100 (%). Algumas das propriedades fsico-qumicas importantes da dinitramida de amnio obtidas da literatura1,9 so apresentadas na Tabela 1.

A decomposio trmica da dinitramida de amnio, que ante-cede seu processo de queima, empregada em vrias ferramentas analticas e, consequentemente, seu mecanismo cintico , a cada dia, melhor elucidado. Na obteno de parmetros experimentais a respeito do processo de decomposio trmica da dinitramida de amnio, anlises por espectrometria de massas,10 termogravime-tria,11 calorimetria exploratria diferencial12 e mtodos espectrosc-picos13 possibilitam a determinao de espcies qumicas originadas no mecanismo reacional (intermedirios ou no); no processo de queima, na determinao da estrutura da chama e das propriedades termodinmicas do material, alm da quantizao da energia em cada passo da queima.

Figura 1. Frmula estrutural da ADN

Tabela 1. Propriedades fsico-qumicas da ADNPropriedade ValorDensidade a temperatura ambiente a 1,81 g cm-3

Temperatura de fuso a 91,5 CMassa molar a 124,06 g mol-1

Balano de oxignio a +25,79%Calor de formao a -148 kJ mol-1

Calor de combusto a 424 kJ mol-1

Volume dos gases de exploso b 1084 L kg-1

Sensibilidade ao impacto b 4 N mSensibilidade frico b 64 N a Ref. 9; b Ref. 1

Modelagem da combusto da dinitramida de amnio por simulao computacional 1699Vol. 32, No. 7

A respeito da etapa inicial do processo de decomposio da ADN, as opinies so divergentes: uma rota seria a sublimao da ADN condensada (ADNc ADNv);14,15 uma outra, a sublimao dissociativa da ADN (ADN

c NH3+ + HN(NO2)2-)16,17 considerada neste trabalho. Estudos

realizados por espectrometria de massas, espectroscopia de infraver-melho, termogravimetria e simulaes computacionais concluram que a velocidade de queima deste material controlada por reaes na fase condensada e sua chama apresenta uma estrutura do tipo mltipla, ou seja, de caractersticas difusivas e pr-misturadas com regies quentes e frias.7,18

Os mtodos de simulao computacional podem auxiliar na compreenso de fenmenos e sistemas de diversas reas do conheci-mento cientfico. Possibilitam o desenvolvimento de novos modelos, aproximando desta forma os resultados tericos dos encontrados na condio real em que ocorre o fenmeno objeto de estudo. Em simu-laes computacionais, os sistemas analisados podem ser modelados sob vrias condies, tais como atmosferas oxidantes e temperaturas elevadas. No entanto, algumas condies de modelagem podem no ser passveis de serem atingidas em experimentos laboratoriais.19

Nas ltimas dcadas, as tcnicas de modelagem de combusto e ignio de materiais energticos evoluram enormemente,20 sendo aplicadas a diversos tipos de formulaes de explosivos, propelentes, geradores de gases ou pirotcnicos.21 Este procedimento de modela-gem computacional considera efeitos como a distribuio de zonas reacionais em fases condensadas, radiao de espectros no-lineares e no-homogeneidade do propelente, para reaes qumicas energticas formuladas, entre outros.22

O principal objetivo deste trabalho constitui em determinar um modelo para a estrutura da chama da dinitramida de amnio aps a etapa de decomposio trmica proposta. Ou seja, segundo a rota de sublimao dissociativa descrita anteriormente, tanto em condies ambiente, como em condies operacionais quando formulada como propelente slido instalado na cmara de combusto de motores-foguete. Para tal, utilizaram-se tcnicas cinticas por simulao computacional como codificado no programa Chemkin,23 anacronismo de Chemical Kinetics.

PARTE EXPERIMENTAL

Neste estudo as simulaes de combusto da ADN foram reali-zadas utilizando-se como modelo de reator aquele onde as espcies oxidantes e combustveis esto dispersas homogeneamente, ocorrendo combusto com chama no estado estacionrio. Este modelo de reator encontra-se codificado no pacote de simulao Chemkin, conheci-do como modulo reacional Premix. Desta forma, realizaram-se as variaes de temperatura e de frao molar de espcies qumicas presentes no processo de combusto da ADN em funo da distncia da superfcie slida do material, entre outras.

Todo o estudo foi modelado considerando que a decomposio trmica tem como rota a sublimao dissociativa da dinitramida de amnio em amnia e cido dinitrmico, segundo a reao ADN

c

NH3+ + HN(NO2)2-. Isto se deve ao fato de que o processo de com-busto precedido da etapa de decomposio trmica da ADN. O mecanismo utilizado na modelagem e composto por 152 diferentes reaes elementares e seus respectivos parmetros de Arrhenius (fator de frequncia, parmetro de correo do fator de frequncia e energia de ativao), podem ser observados na Tabela 2. Este mecanismo foi derivado de um mecanismo mais geral, proposto por Korobeinichev et al.,7 que compilou os parmetros cinticos de dados da literatura.24-31 Como afirmado, do mecanismo original de Korobeinichev et al.,7 algumas reaes foram retiradas para melhor adequar s condies iniciais do modelo da presente simulao. Por exemplo, partiu-se da amnia e do cido dinitrmico como espcies qumicas combustveis a serem consideradas no processo de queima da ADN, visto que sua decomposio trmica ocorre a temperatura de aproximadamente 40 C e, portanto, encarada como fase inicial do processo, ocorrendo anteriormente combusto destas duas substncias na chama.

No mdulo de simulao utilizado, Premix, correlaciona-se um perfil de temperatura desenvolvida na queima do material em funo da distncia de sua superfcie slida. Os dados podem ser observados na Figura 2. Este perfil foi determinado experimentalmente por Koro-beinichev et al.7 a presses de 3 e 6 atm. Porm, possvel a utilizao destes dados em outras faixas de presso porque a simulao realizada

Reao A b EH2+M=H+H+M 4,57E19 -1,40 434,72O+H2O=OH+OH 2,97E6 2,02 56,01O+H2=H+OH 5,06E4 2,67 26,29O+O+M=O2+M 6,17E15 -0,50 0,00H+O2=O+OH 1,94E14 0,00 68,72H+O2=HO2 4,52E13 0,00 0,00H+O+M=OH+M 4,72E18 -1,00 0,00OH+H2=H2O+H 2,16E8 1,51 14,34OH+H+M=H2O+M 2,21E22 -2,00 0,00HO2+O=O2+OH 1,75E13 0,00 -1,66HO2+H=H2+O2 6,62E13 0,00 8,90HO2+H=OH+OH 1,69E14 0,00 3,65HO2+OH=H2O+O2 1,90E16 -1,00 0,00HO2+HO2=H2O2+O2 4,20E14 0,00 50,08

Tabela 2. Reaes elementares consideradas na decomposio trmica da ADN e seus respectivos parmetros cinticos de acordo com a equao de Arrhenius (k = A Tbexp(-E/RT)). O fator de frequncia (A) dado em unidades de mol, cm, s e K, o parmetro de correo do fator de frequncia (b), adimensional, e a energia de ativao (E) em kJ/mola

Reao A b EH2O2=OH+OH 2,95E14 0,00 202,56H2O2+O=OH+HO2 9,64E6 2,00 16,59H2O2+H=H2O+OH 1,00E13 0,00 15,01H2O2+H=HO2+H2 4,82E13 0,00 33,23H2O2+OH=H2O+HO2 1,00E12 0,00 0,00N+H2=H+NH 1,60E14 0,00 105,09N+O2=NO+O 6,40E09 1,00 26,25N+OH=NO+H 3,80E13 0,00 0,00N+HO2=NH+O2 1,00E13 0,00 8,36N+HO2=NO+OH 1,00E13 0,00 8,36N+NO=N2+O 3,27E12 0,30 0,00N+NO2=NO+NO 4,00E12 0,00 0,00N+NO2=N2O+O 5,00E12 0,00 0,00N+NO2=N2+O2 1,00E12 0,00 0,00

Gonalves et al.1700 Quim. Nova

Reao A b EN+HNO=NH+NO 1,00E13 0,00 8,36N+HNO=N2O+H 5,00E10 0,50 12,54N+N2O=N2+NO 1,00E13 0,00 83,06NO+M=N+O+M 9,64E14 0,00 620,31NO+H=HNO 1,52E15 -0,41 0,00NO+OH=HONO 1,99E12 -0,05 -3,01HO2+NO=NO2+OH 2,11E12 0,00 -2,00NO2=NO+O 7,60E18 -1,27 306,35NO2+O=O2+NO 3,91E12 0,00 -0,99NO2+O=NO3 1,33E13 0,00 0,00NO2+H=NO+OH 1,32E14 0,00 1,51NO2+OH=HNO3 2,41E13 0,00 0,00NO2+NO2=NO3+NO 9,64E9 0,73 87,45NO2+NO2=2NO+O2 1,63E12 0,00 109,18NH+M=N+H+M 2,65E14 0,00 315,63NH+O2=HNO+O 3,89E13 0,00 74,78NH+O2=NO+OH 7,60E10 0,00 6,40NH+O=NO+H 5,50E13 0,00 0,00NH+O=N+OH 3,72E13 0,00 0,00NH+OH=HNO+H 2,00E13 0,00 0,00NH+OH=N+H2O 5,00E11 0,50 8,36NH+N=N2+H 3,00E13 0,00 0,00NH+NO=N2O+H 2,94E14 -0,40 0,00NH+NO=N2+OH 2,16E13 -0,23 0,00NH+NO2=NO+HNO 1,00E11 0,50 16,72NH+NO2=N2O+OH 1,00E13 0,00 0,00NH+NH=N2+H+H 5,10E13 0,00 0,00NH2+O2=HNO+OH 1,78E12 0,00 62,28NH2+O=HNO+H 6,63E14 -0,50 0,00NH2+O=NH+OH 6,75E12 0,00 0,00NH2+H=NH+H2 6,92E13 0,00 15,26NH2+OH=NH+H2O 4,00E6 2,00 4,18NH2+N=N2+2H 7,20E13 0,00 0,00NH2+NO=NNH+OH 9,19E22 -3,00 40,09NH2+NO=N2+H2O 3,40E14 -1,00 -10,88NH2+NO=N2O+H2 5,00E13 0,00 103,00NH2+NO=HNO+NH 1,00E13 0,00 167,20NH2+NO2=N2O+H2O 3,28E18 -2,20 0,00NH3+M=NH2+H+M 2,20E16 0,00 390,70NH3+O=NH2+OH 9,40E6 1,94 27,00NH3+H=NH2+H2 6,40E5 2,39 42,51NH3+OH=NH2+H2O 2,04E6 2,04 2,37NH3+HO2=NH2+H2O2 3,00E11 0,00 91,96

Reao A b ENH2+HO2=NH3+O2 1,00E13 0,00 0,00NH2+NH2=NH3+NH 5,00E13 0,00 41,80NNH+M=N2+H+M 1,00E14 0,00 12,54NNH+O=N2O+H 1,00E14 0,00 0,00NNH+H=N2+H2 1,00E14 0,00 0,00NNH+OH=N2+H2O 5,00E13 0,00 0,00NNH+NO=N2+HNO 5,00E13 0,00 0,00NNH+NH=N2+NH2 5,00E13 0,00 0,00NNH+NH2=N2+NH3 5,00E13 0,00 0,00HNO+O2=NO+HO2 1,00E13 0,00 104,50HNO+O=OH+NO 1,81E13 0,00 0,00HNO+H=H2+NO 1,81E13 0,00 4,15HNO+OH=H2O+NO 1,00E13 0,00 4,15HNO+NO=N2O+OH 2,00E12 0,00 108,68HNO+NO2=HONO+NO 6,02E11 0,00 8,31HNO+NH2=NO+NH3 2,00E13 0,00 4,18HNO+HNO=H2O+N2O 8,51E8 0,00 12,87HONO+O=OH+NO2 1,20E13 0,00 24,92HONO+H=H2+NO2 1,20E13 0,00 30,73HONO+OH=H2O+NO2 1,26E10 1,00 0,56N2O+M=N2+O+M 1,30E11 0,00 249,17N2O+O=O2+N2 1,00E14 0,00 117,04N2O+O=2NO 1,00E14 0,00 117,04N2O+H=N2+OH 2,53E10 0,00 19,02N2O+OH=HO2+N2 2,00E12 0,00 167,20N2O+NO=NO2+N2 1,00E14 0,00 209,00HNO3+OH=NO3+H2O 1,03E10 0,00 -5,18NO2+HO2=HONO+O2 4,64E11 0,00 2,00NH3+NO2=NH2+HONO 2,54E11 0,00 104,79NO+NO=N2+O2 1,30E14 0,00 316,13NH3+O=H2+HNO 1,10E10 0,00 2,09NH2+NO=N2+OH+H 1,08E11 0,00 -5,43NH+H2O=HNO+H2 1,00E11 0,50 12,54NH+NO=NNH+O 3,00E13 0,00 71,06NO+N2H2=HNO+NNH 5,00E12 0,00 41,80NH2+NO2=H2NO+NO 6,56E16 -1,50 1,12H2NO+H=HNO+H2 3,00E7 2,00 8,36H2NO+H=NH2+OH 5,00E13 0,00 0,00H2NO+M=H2+NO+M 7,83E27 -4,30 252,10H2NO+M=HNO+H+M 1,69E32 -5,00 260,46H2NO+M=H2NO+M 4,46E30 -3,80 237,80H2NO+NO=HNO+HNO 2,00E7 2,00 54,34H2NO+NO2=HONO+HNO 6,00E11 0,00 8,36

Tabela 2. Continuao

Modelagem da combusto da dinitramida de amnio por simulao computacional 1701Vol. 32, No. 7

Reao A b EH2NO+O=HNO+OH 3,00E7 2,00 8,36H2NO+O=NH2+O2 4,00E13 0,00 0,00H2NO+OH=HNO+H2O 2,00E7 2,00 4,18N2H2+OH=H2O+N2+H 2,50E12 0,00 0,00HO2+H=O+H2O 3,00E13 0,00 7,19HONO+H=HNO+OH 5,64E10 0,90 20,77HONO+H=NO+H2O 8,13E6 1,90 16,08HONO+HONO=NO+NO2+H2O 9,69E10 0,00 59,06HONO+NH=NH2+NO2 1,00E13 0,00 0,00N2H2+H=NNH+H2 5,00E13 0,00 4,18N2H2+M=NNH+H+M 5,00E16 0,00 209,00N2H2+NH=NNH+NH2 1,00E13 0,00 4,18N2H2+NH2=NNH+NH3 1,00E13 0,00 4,18N2H2+OH=NNH+H2O 1,00E13 0,00 4,18N2H2+NO=N2O+NH2 3,00E12 0,00 0,00N2H2+O=NH2+NO 1,00E13 0,00 4,18N2H2+O=NNH+OH 2,00E13 0,00 4,18N2H3+H=NH2+NH2 1,60E12 0,00 0,00N2H3+M=N2H2+H+M 3,50E16 0,00 192,28

Tabela 2. Continuao

Reao A b EN2H3+NH=N2H2+NH2 2,00E13 0,00 0,00N2H3+O=N2H2+OH 5,00E12 0,00 20,90N2H3+O=NH2+HNO 1,00E13 0,00 0,00N2H3+OH=N2H2+H2O 1,00E13 0,00 4,18N2H3+OH=NH3+HNO 1,00E12 0,00 62,70N2H4+H=N2H3+H2 1,30E13 0,00 10,45N2H4+NH2=N2H3+NH3 3,90E12 0,00 6,27N2H4+O=N2H2+H2O 8,50E13 0,00 5,02N2H4+OH=N2H3+H2O 4,00E13 0,00 0,00NH2+HO2=H2NO+OH 2,50E13 0,00 0,00NH2+NH=N2H2+H 5,00E13 0,00 0,00NH2+NH2=N2H2+H2 8,50E11 0,00 0,00NH3+HNO3=H2NO+H2O+NO 2,32E1 3,50 187,81NNH=N2+H 1,00E6 0,00 0,00NO3+H=NO2+OH 6,00E13 0,00 0,00NO3+HO2=NO2+O2+OH 1,50E12 0,00 0,00NO3+NO2=NO+NO2+O2 4,90E10 0,00 12,29NO3+O=NO2+O2 1,00E13 0,00 0,00NO3+OH=NO2+HO2 1,00E13 0,00 0,00

a Dados cinticos compostos da ref. 7

com os dois diferentes perfis gerou resultados semelhantes, ou seja, no houve diferenas significativas. Neste perfil, as curvas apresen-tam diferentes inclinaes (Figura 2), indicando regies quentes e frias na chama, ou seja, as maiores inclinaes na curva representam regies quentes e as menores inclinaes, as regies frias.

Para que a modelagem se aproxime das condies reais da de-composio da ADN, as espcies qumicas utilizadas (que compem tanto os reagentes quanto os produtos do mecanismo global, assim como suas respectivas fraes molares em cada situao) so aquelas recomendadas via estudos realizados por espectrometria de massas,7 (Tabela 3). Neste trabalho, duas diferentes condies foram abordadas

na modelagem da decomposio trmica da dinitramida de amnio: sistema em condies ambiente, ou seja, presso de 1 atm e O2 do ar atmosfrico como fonte oxidante e sistema em condies extremas (simulao de uma cmara de combusto de um motor-foguete con-vencional), ou seja, presso de 60 atm e atmosfera composta pelas espcies geradas na decomposio da prpria ADN como fonte de material oxidante na queima do propelente. As consideraes das condies de modelagem utilizadas so pertinentes, pois uma vez formulada como propelente, a manuteno do processo de queima do compsito depende da decomposio trmica da ADN e subsequente fornecimento de espcies qumicas oxidantes.

RESULTADOS E DISCUSSO

No caso da simulao em condies ambiente, as fraes mo-lares das espcies reagentes sofreram um decaimento considervel em funo da distncia da superfcie da ADN (Figura 3), enquanto

Figura 2. Perfil de temperatura da decomposio da ADN em condio formulada

Tabela 3. Fraes molares dos reagentes e produtos do mecanismo de decomposio da ADNa

Espcies Qumicas NH3 NO N2O N2 HNO3 H2O

Frao Molar (reagentes)

0,07 0,23 0,28 0,10 0,02 0,30

Frao Molar (produtos)

0,08 0,19 0,24 0,08 0,08 0,33

a Dados obtidos da ref. 7

Gonalves et al.1702 Quim. Nova

houve um aumento nas fraes molares das espcies que compem o produto da decomposio (Figura 4). Este comportamento, como esperado, funo do conhecimento da espontaneidade da reao global de decomposio da ADN; em situao onde no h qualquer tipo de influncia externa ou condio extraordinria, a concentrao dos produtos (neste caso expressa em termos de frao molar) tende normalmente a se elevar linearmente, enquanto os reagentes sofrem um decaimento tambm aproximadamente linear.

Como pode ser observado na Figura 5, na simulao da de-composio trmica da dinitramida de amnio em condies se-melhantes s observadas em um motor-foguete, as fraes molares de algumas espcies qumicas sofrem aumento, enquanto outras decaem. Este comportamento devido ao mecanismo proposto para a decomposio da ADN, ao sistema sem fornecimento do O2 do ar atmosfrico e alta presso a que o material est sendo submetido; a certa distncia da superfcie de queima as variaes cessam e as fraes molares mantm-se constantes. Como afirmado anterior-mente, a chama originria da combusto da dinitramida de amnio apresenta uma estrutura mltipla. Neste tipo de estrutura observa-se, a partir de certa distncia, a presena de regies frias, onde ocorre diminuio considervel na velocidade das reaes qumicas.

interessante ressaltar que nesse caso no existe uma atmosfera de ar presente; os produtos da decomposio inicial da ADN com-pem a atmosfera, ou seja, pela ocorrncia da reao em um ambiente

fechado, no existe fornecimento constante de ar, ento os prprios tomos de oxignio presentes na molcula so utilizados como fonte oxidante no processo de combusto. Esta fonte oxidante originria da decomposio inicial da dinitramida de amnio.

A comparao desta modelagem da ADN em cmara de com-busto de motores-foguete pode ser comparada com os resultados experimentais obtidos por Korobeinichev et al.7 (Figura 6). Pode-se notar que, em comparao com a Figura 5, o comportamento obser-vado muito semelhante, demonstrando que mesmo com a utilizao de um mecanismo reduzido e um perfil de temperaturas terico, a simulao apresenta resultados muito prximos da condio real.

A diferena de comportamento entre os dois sistemas simulados devida, principalmente, diferena de atmosfera entre os sistemas; no caso da atmosfera de ar, em funo da alta concentrao de oxignio, nitrognio e hidrognio, as reaes de formao dos produtos foram aceleradas, gerando rapidamente as espcies que compem o produto da decomposio, em detrimento das reaes de decomposio dos mesmos. Na atmosfera composta unicamente pelas espcies qumicas geradas a partir da decomposio inicial da ADN, h certo balano entre as reaes de gerao e decomposio de produtos e, portanto, h menor taxa de formao/decaimento das espcies em funo da distncia da superfcie de queima, at atingir o equilbrio.

Todas as simulaes realizadas levaram em conta as substncias e reaes presentes na fase gasosa, considerando que o mecanismo de decomposio nessa fase bem conhecido, em funo das diver-sas tcnicas de anlise s quais a ADN foi submetida. possvel a comparao dos resultados obtidos em condies de motores-foguete com experimentos e diferentes modelagens encontradas na literatura.7 Observa-se claramente o comportamento semelhante das espcies

Figura 3. Fraes molares das espcies reagentes na chama da ADN (con-dies ambiente)

Figura 4. Fraes molares dos produtos de combusto na chama da ADN (condies ambiente)

Figura 5. Simulao da decomposio da ADN em um motor-foguete

Figura 6. Resultados experimentais da decomposio trmica da ADN, reproduzidos da ref. 7, com permisso da Elsevier

Modelagem da combusto da dinitramida de amnio por simulao computacional 1703Vol. 32, No. 7

qumicas em relao distncia da superfcie slida e na chama gerada pela decomposio do material, ou seja, quando submetidas a altas presses, as fraes molares das espcies geradas pela decomposio da ADN sofrem variaes menores que em sistema aberto, com livre fornecimento de oxignio.

CONCLUSO

O processo de queima a partir dos produtos de decomposio trmica da dinitramida de amnio foi simulado em duas situaes distintas, em ambiente aberto e em sistema fechado. Estas simulaes foram realizadas utilizando um modelo de reator onde as espcies oxidantes e combustveis esto dispersas homogeneamente ocorrendo combusto com chama no estado estacionrio, mdulo Premix do cdigo de simulao computacional Chemkin.

Com as reaes envolvidas no mecanismo proposto de cada situa-o, observou-se maior formao (concentrao) das espcies qumicas componentes do produto da combusto em ambiente aberto, com livre fornecimento de ar, fonte de O2, do que observadas no sistema fechado, ou seja, na cmara de combusto de um motor-foguete. Esta constatao pode ser atribuda alta capacidade oxidante da atmosfera ambiente (fonte de oxignio), em relao atmosfera do sistema que simula as condies observadas em um motor-foguete. Apesar da alta presso que se desenvolve na cmara de combusto durante o processo de queima, sua atmosfera composta unicamente dos produtos da decomposio trmica da ADN, apresentando um poder oxidante muito menor e con-sequentemente diminuindo a fonte de material oxidante no processo de queima do gro propelente slido. Entretanto, a forma de gerao das espcies qumicas oxidantes a partir da queima da ADN (analisada em funo da inclinao da curva de frao molar em funo da distncia da superfcie slida de cada espcie qumica componente do sistema) muito mais intensa neste tipo de sistema e a queima ocorre mesmo sem fonte oxidante externa, no caso o ar atmosfrico. Desta forma, os produtos da queima da ADN, na verdade a partir dos produtos de sua decomposio trmica, so a fonte de material oxidante que ir se combinar com as espcies qumicas combustveis da formulao do propelente slido durante o funcionamento do motor.

O perfil da chama originria da combusto da ADN foi modela-do, apresentando as diferentes regies de temperatura e a variao das fraes molares das espcies qumicas, geradas pela queima do material. Os resultados permitem supor que a ADN uma fonte alter-nativa vivel como material oxidante nas formulaes de propelente slido compsito.

AGRADECIMENTOS

CAPES, ao CNPq e FAPESP pelos apoios financeiros concedidos.

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