Un procés que utilitza nitrogen com a mitjà de treball de l'expansor s'anomena expansió de nitrogen. L'expansió del nitrogen es divideix en dues categories: expansió del nitrogen pur i expansió del nitrogen residual.
El procés d'expansió del nitrogen pur es mostra a la figura 12. El nitrogen pur s'extreu de la part superior de la columna inferior i de la part superior del costat del nitrogen del condensador principal. Una part es torna a escalfar a través del pas regeneratiu de l'intercanviador de calor invers, després es combina i s'introdueix al turbo-expansor. Després de l'expansió, el nitrogen s'extreu com a nitrogen de producte a través de l'intercanviador de calor de plaques-aletes.
El procés d'expansió del nitrogen residual es mostra a la figura 13. El nitrogen residual que conté aproximadament un 1% d'oxigen s'extreu del centre de la columna inferior. Una part es torna a escalfar a través del pas regeneratiu de l'intercanviador de calor invers, després es combina i s'introdueix al turbo-expansor. Després de l'expansió, el nitrogen residual es torna a escalfar a través del subrefrigerador-liquador i l'intercanviador de calor invers per recuperar l'energia freda, i després es ventila a l'atmosfera després d'absorbir la calor evaporativa de l'aigua de refrigeració a la torre de refrigeració per evaporació.
Com que el nitrogen s'extreu de la columna inferior, la condensació del nitrogen líquid al condensador principal disminueix. En conseqüència, es redueix la quantitat de nitrogen líquid de reflux alimentat a la columna superior, permetent que la proporció de reflux de la columna de destil·lació assoleixi un valor més raonable. Això utilitza plenament el potencial de destil·lació de la columna superior i millora la velocitat d'extracció d'oxigen.
Els avantatges i desavantatges de l'expansió del nitrogen són els següents:
El gas després de l'expansió del nitrogen no entra a la columna superior; per tant, no afecta directament les condicions de destil·lació de la columna superior. El seu sobreescalfament després de l'expansió pot ser superior al de l'expansió de l'aire, i la pressió després de l'expansió també pot ser lleugerament inferior a la de l'expansió de l'aire. Així, la capacitat de refrigeració de la unitat és més gran que la d'expansió de l'aire. Sota una determinada pèrdua de fred de l'equip, es pot reduir la quantitat d'expansió necessària.
Com que el gas expandit no entra a la columna superior i la càrrega de calor del condensador principal es redueix, la quantitat de gas ascendent a la columna superior és menor que la de l'expansió de l'aire. En conseqüència, el diàmetre de la columna es pot reduir i l'estructura es pot simplificar.
Un augment de la quantitat d'expansió del nitrogen té un cert efecte sobre la diferència de temperatura del condensador principal, que augmentarà el contingut d'oxigen del nitrogen residual i reduirà la velocitat d'extracció d'oxigen. No obstant això, el seu impacte directe sobre la puresa de l'oxigen no és significatiu i el seu efecte sobre l'argó brut és encara més petit. L'expansió del nitrogen ja s'ha adoptat a les unitats de separació d'aire a gran-escala a l'estranger.
El medi de treball de l'expansió del nitrogen és més net que el de l'expansió de l'aire; per tant, l'expansor pot funcionar en condicions més segures. Això es deu al fet que el medi de treball de l'expansió del nitrogen s'extreu de la part superior de la columna inferior i no pot transportar diòxid de carboni sòlid ni altres impureses. En canvi, el medi de treball de l'expansió de l'aire s'extreu des de sota de la primera safata de tapa de bombolles, i el diòxid de carboni de l'aire es pot transportar a l'expansor, provocant un desgast de l'expansor. A més, durant l'expansió del nitrogen, la pressió després de l'expansió és de 0,12 MPa i les gotes de líquid no apareixeran fins que la temperatura arribi als 78,7 K; per tant, el líquid no es genera fàcilment a l'expansor.
Com que la proporció mínima de reflux de la columna inferior és més gran que la de la secció rectificadora de la columna superior-és a dir, el líquid de reflux de la columna inferior és menys excedent que el de la columna superior-la quantitat de nitrogen gasós que es pot extreure de la columna inferior és menor que la quantitat d'aire que es pot alimentar a la columna superior. Normalment, la quantitat d'expansió de nitrogen no supera el 16% de la quantitat d'aire processat, mentre que la quantitat d'expansió d'aire no supera el 25% de la quantitat d'aire processat.
