Proces wykorzystujący azot jako czynnik roboczy ekspandera nazywany jest ekspansją azotu. Ekspansję azotu dzieli się na dwie kategorie: ekspansję czystego azotu i ekspansję azotu odpadowego.
Proces rozprężania czystego azotu pokazano na rysunku 12. Czysty azot ekstrahuje się ze szczytu dolnej kolumny i ze szczytu strony azotu głównego skraplacza. Jego część jest ponownie podgrzewana przez kanał regeneracyjny nawrotnego wymiennika ciepła, a następnie łączona i wprowadzana do turbo-rozprężarki. Po rozprężeniu azot jest odprowadzany jako azot produktu przez płytowy-żebrowy wymiennik ciepła.
Proces rozprężania azotu odpadowego przedstawiono na rysunku 13. Azot odpadowy zawierający około 1% tlenu jest ekstrahowany ze środka dolnej kolumny. Jego część jest ponownie podgrzewana przez kanał regeneracyjny nawrotnego wymiennika ciepła, a następnie łączona i wprowadzana do turbo-rozprężarki. Po rozprężeniu azot odpadowy jest ponownie podgrzewany przez-skraplacz dochładzacza i rewersyjny wymiennik ciepła w celu odzyskania zimnej energii, a następnie odprowadzany do atmosfery po pochłonięciu ciepła parowania wody chłodzącej w wyparnej wieży chłodniczej.
Ponieważ azot jest ekstrahowany z dolnej kolumny, kondensacja ciekłego azotu w głównym skraplaczu maleje. W rezultacie ilość refluksu ciekłego azotu doprowadzanego do górnej kolumny jest zmniejszona, dzięki czemu współczynnik orosienia w kolumnie destylacyjnej osiąga bardziej rozsądną wartość. Wykorzystuje to w pełni potencjał destylacyjny górnej kolumny i poprawia szybkość ekstrakcji tlenu.
Zalety i wady ekspansji azotu są następujące:
Gaz po rozprężeniu azotu nie przedostaje się do górnej kolumny; dlatego nie ma to bezpośredniego wpływu na warunki destylacji górnej kolumny. Jego przegrzanie po rozprężeniu może być wyższe niż w przypadku rozprężania powietrza, a ciśnienie po rozprężeniu może być również nieco niższe niż w przypadku rozprężania powietrza. Zatem wydajność chłodnicza urządzenia jest większa niż zdolność rozszerzania się powietrza. W przypadku określonej straty zimna w urządzeniu wymagana ilość ekspansji może zostać zmniejszona.
Ponieważ rozprężony gaz nie przedostaje się do górnej kolumny i obciążenie cieplne głównego skraplacza jest zmniejszone, rosnąca ilość gazu w górnej kolumnie jest mniejsza niż w przypadku rozprężania powietrza. W rezultacie można zmniejszyć średnicę kolumny i uprościć konstrukcję.
Zwiększenie ilości ekspansji azotu ma pewien wpływ na różnicę temperatur głównego skraplacza, co spowoduje wzrost zawartości tlenu w azocie odpadowym i zmniejszenie szybkości ekstrakcji tlenu. Jednak jego bezpośredni wpływ na czystość tlenu nie jest znaczący, a wpływ na surowy argon jest jeszcze mniejszy. Ekspansję azotu zastosowano już w dużych-jednostkach separacji powietrza za granicą.
Czynnik roboczy rozprężania azotu jest czystszy niż czynnik rozprężania powietrza; dzięki temu ekspander może pracować w bezpieczniejszych warunkach. Dzieje się tak dlatego, że czynnik roboczy rozprężania azotu jest pobierany z górnej części dolnej kolumny i nie może przenosić stałego dwutlenku węgla ani innych zanieczyszczeń. W przeciwieństwie do tego, czynnik roboczy rozprężania powietrza jest pobierany spod pierwszej tacy z nasadką bąbelkową, a dwutlenek węgla z powietrza może przedostawać się do ekspandera, powodując jego zużycie. Ponadto podczas rozprężania azotu ciśnienie po rozprężeniu wynosi 0,12 MPa, a kropelki cieczy nie pojawią się, dopóki temperatura nie osiągnie 78,7 K; dlatego też w ekspanderze nie jest łatwo wytwarzana ciecz.
Ponieważ minimalny współczynnik refluksu w dolnej kolumnie jest większy niż w sekcji rektyfikacyjnej górnej kolumny,-to znaczy nadmiar cieczy orosiącej w dolnej kolumnie jest mniejszy niż w górnej kolumnie,-ilość gazowego azotu, którą można wydobyć z dolnej kolumny, jest mniejsza niż ilość powietrza, która może zostać doprowadzona do górnej kolumny. Zwykle ilość rozprężonego azotu nie przekracza 16% ilości przetworzonego powietrza, natomiast ilość rozprężonego powietrza nie przekracza 25% ilości przetworzonego powietrza.
