在美国工程单位制中，理想气体常数约为 0.7302 atm·ft³/(lb-mol·°R)。 从 (R = 8.314\ \text{kPa·m}^3/(\text{kmol·K})) 出发，对压力、体积、物质的量和绝对温度进行一致换算。美国化学工程计算中常用的等效压力-体积形式为 (R = 10.7316\ \text{ft}^3\text{·psia}/(\text{lb-mol·°R}))。
(R) 的数值并非在所有单位表达式中都相同。 它的物理意义不变，但其数值会随所选压力、体积、摩尔量和温度单位的不同而变化。
将 (R) 从 SI 单位换算为美国工程单位
SI 表达式
对于中试装置气体计算，一种方便的 SI 形式为：
[ R = 8.314\ \frac{\text{kPa·m}^3}{\text{kmol·K}} ]
这里，(\text{kmol}) 和 (\text{kgmol}) 是等效的物质量单位。该常数也可以写成：
[ R = 8.314\ \frac{\text{J}}{\text{mol·K}} ]
因为 (1\ \text{kPa·m}^3 = 1\ \text{kJ}) 且 (1\ \text{kmol} = 1000\ \text{mol})。
所需换算因子
使用以下关系：
[ 1\ \text{atm} = 101.325\ \text{kPa} ]
[ 1\ \text{m}^3 = 35.3147\ \text{ft}^3 ]
[ 1\ \text{kmol} = 2.20462\ \text{lb-mol} ]
[ 1\ \text{K} = 1.8\ ^\circ\text{R} ]
对于绝对温度，相应的运行温度换算为：
[ T_{^\circ R} = 1.8T_K ]
逐步换算
换算过程为：
[ R = 8.314 \left(\frac{1\ \text{atm}}{101.325\ \text{kPa}}\right) \left(\frac{35.3147\ \text{ft}^3}{1\ \text{m}^3}\right) \left(\frac{1\ \text{kmol}}{2.20462\ \text{lb-mol}}\right) \left(\frac{1\ \text{K}}{1.8\ ^\circ\text{R}}\right) ]
因此：
[ \boxed{ R = 0.7302\ \frac{\text{atm·ft}^3}{\text{lb-mol·}^\circ\text{R}} } ]
温度因子表现为除以 (1.8)，这是因为倒数温度单位从 (\text{K}^{-1}) 变为 ((^\circ\text{R})^{-1})。
选择正确的 (R) 形式
压力以大气压表示时
使用：
[ \boxed{ R = 0.7302\ \frac{\text{atm·ft}^3}{\text{lb-mol·}^\circ\text{R}} } ]
理想气体定律变为：
[ PV=nRT ]
其中 (P) 的单位为 atm，(V) 的单位为 ft³，(n) 的单位为 lb-mol，(T) 的单位为 °R。
压力以 psia 表示时
中试装置和工业仪表通常以 psia 报告绝对压力。在这种情况下，使用：
[ \boxed{ R = 10.7316\ \frac{\text{psia·ft}^3}{\text{lb-mol·}^\circ\text{R}} } ]
该数值由以下关系得到：
[ 10.7316 = 0.7302 \times 14.696 ]
其中 (14.696\ \text{psia}) 约等于一个标准大气压。
进行 SI 计算时
使用以下任一种等效形式：
[ R = 8.314\ \frac{\text{J}}{\text{mol·K}} ]
[ R = 8.314\ \frac{\text{kPa·m}^3}{\text{kmol·K}} ]
[ R = 8.314\ \frac{\text{kPa·dm}^3}{\text{mol·K}} ]
最后一种形式很有用，因为 (1\ \text{kPa·dm}^3 = 1\ \text{J})。
在中试装置模型中应用换算
气体体积和摩尔流量
对于以美国工程单位测量的气流：
[ \dot V = \frac{\dot nRT}{P} ]
当压力以 psia 表示，且所需体积流量单位为每单位时间的 ft³ 时，使用 (R=10.7316\ \text{psia·ft}^3/(\text{lb-mol·°R}))。
绝对压力至关重要。使用前必须将表压读数进行换算：
[ P_{\text{absolute}}=P_{\text{gauge}}+P_{\text{atmospheric}} ]
气相组分浓度
对于混合物中的组分 (A)：
[ C_A=\frac{P_A}{RT}=\frac{y_A P}{RT} ]
其中 (y_A) 为摩尔分数，(P_A) 为分压。当 (P) 以 psia 表示、(T) 以 °R 表示并采用美国习惯单位形式的 (R) 时，可得到单位为 lb-mol/ft³ 的 (C_A)。
该关系可直接用于吸收、汽提、蒸馏和气相反应器计算。
温度换算
温度必须使用绝对温度，而不能使用表读温度或相对温度。相关换算为：
[ T_K = t_{^\circ C}+273.15 ]
[ T_{^\circ R}=t_{^\circ F}+459.67 ]
在 (PV=nRT) 中直接使用 °F 或 °C 会产生错误结果，因为这些温标并非从绝对零度开始。
理解取舍
单位一致性比所选单位制更重要
SI 单位和美国工程单位都适用于中试装置建模。当压力、体积、物质量、温度和 (R) 在不同单位制之间混用时，计算就会失败。
一个常见错误是将 (R=0.7302) 与 psia 压力搭配使用。该组合无效，因为 (0.7302) 基于 atm，而 psia 计算需要使用 (R=10.7316)。
理想气体行为具有适用范围
对于许多气体，在低至中等压力以及环境温度或较高温度下，理想气体定律通常是可靠的。在这些条件下，分子间作用力和分子体积的影响相对较小。
在高压、接近冷凝或低温条件下，真实气体行为可能变得显著。二氧化碳、氨和轻质烃蒸气可能需要特别谨慎，因为与较简单的气体相比，它们的非理想效应可能更早出现。
仪表校准不能替代单位核查
压力变送器可能报告 psig、psia、kPa 或 bar，而流量控制器可能采用标准体积流量或实际体积流量。在应用 (PV=nRT) 之前，必须明确这些区别。
标准体积流量还需要明确的参考压力和温度。如果没有规定换算条件，则不能将其直接替代为实际运行体积。
根据目标做出正确选择
使用与控制方程中每个变量相匹配的 (R) 值。
- 如果主要关注基于 SI 的质量和能量衡算： 使用 (R=8.314\ \text{J}/(\text{mol·K})) 或 (8.314\ \text{kPa·m}^3/(\text{kmol·K}))，压力采用 Pa 或 kPa，温度采用 K。
- 如果主要关注大气压下的美国单位计算： 使用 (R=0.7302\ \text{atm·ft}^3/(\text{lb-mol·°R}))，压力采用 atm，温度采用 °R。
- 如果主要关注工业压力和流量仪表： 使用 (R=10.7316\ \text{psia·ft}^3/(\text{lb-mol·°R}))，并将表压换算为绝对压力。
- 如果主要关注气体吸收或反应速率建模： 使用 (C_A=y_AP/(RT))，并确认所得浓度单位与传质或动力学关联式相匹配。
可靠的中试装置建模与其选择 SI 单位还是美国工程单位的关系较小，更重要的是在整个计算过程中保持绝对温度、绝对压力和完整的单位一致性。
汇总表：
| 计算需求 | 推荐的 R | 所需单位 |
|---|---|---|
| SI 气体计算 | 8.314 J/(mol·K) | 压力以 Pa 表示，体积以 m³ 表示，温度以 K 表示 |
| SI kmol 计算 | 8.314 kPa·m³/(kmol·K) | 压力以 kPa 表示，体积以 m³ 表示，温度以 K 表示 |
| 大气压下的美国单位计算 | 0.7302 atm·ft³/(lb-mol·°R) | 压力以 atm 表示，体积以 ft³ 表示，温度以 °R 表示 |
| 美国工业仪表 | 10.7316 psia·ft³/(lb-mol·°R) | 绝对压力以 psia 表示，体积以 ft³ 表示，温度以 °R 表示 |
| 气体浓度 | Cₐ = yₐP/(RT) | 确认浓度单位与模型或关联式相匹配 |
| 必要检查 | 使用绝对 P 和 T | 计算前将 psig 换算为 psia，并将 °F 换算为 °R |
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