Een proces waarbij stikstof als werkmedium van de expander wordt gebruikt, wordt stikstofexpansie genoemd. Stikstofexpansie is onderverdeeld in twee categorieën: pure stikstofexpansie en afvalstikstofexpansie.
Het expansieproces van zuivere stikstof wordt weergegeven in Figuur 12. Zuivere stikstof wordt onttrokken aan de bovenkant van de onderste kolom en de bovenkant van de stikstofzijde van de hoofdcondensor. Een deel ervan wordt opnieuw verwarmd via de regeneratieve doorgang van de omkerende warmtewisselaar, vervolgens gecombineerd en naar de turbo--expander gevoerd. Na expansie wordt de stikstof als productstikstof via de lamellenwarmtewisselaar afgevoerd.
Het expansieproces van afvalstikstof wordt weergegeven in Figuur 13. Afvalstikstof dat ongeveer 1% zuurstof bevat, wordt uit het midden van de onderste kolom geëxtraheerd. Een deel ervan wordt opnieuw verwarmd via de regeneratieve doorgang van de omkerende warmtewisselaar, vervolgens gecombineerd en naar de turbo--expander gevoerd. Na expansie wordt de afvalstikstof opnieuw verwarmd via de onderkoeler-condensator en de omkerende warmtewisselaar om koude energie terug te winnen, en vervolgens naar de atmosfeer afgevoerd nadat de verdampingswarmte van het koelwater in de verdampingskoeltoren is geabsorbeerd.
Doordat stikstof uit de onderste kolom wordt onttrokken, neemt de condensatie van vloeibare stikstof in de hoofdcondensor af. Dientengevolge wordt de hoeveelheid vloeibare refluxstikstof die naar de bovenste kolom wordt gevoerd verminderd, waardoor de refluxverhouding van de destillatiekolom een redelijkere waarde kan bereiken. Hierdoor wordt het destillatiepotentieel van de bovenste kolom volledig benut en wordt de zuurstofextractiesnelheid verbeterd.
De voor- en nadelen van stikstofexpansie zijn als volgt:
Het gas komt na stikstofexpansie niet in de bovenste kolom; daarom heeft het geen directe invloed op de destillatieomstandigheden van de bovenste kolom. De oververhitting na expansie kan hoger zijn dan die van luchtexpansie, en de druk na expansie kan ook iets lager zijn dan die van luchtexpansie. De koelcapaciteit van de unit is dus groter dan die van de luchtexpansie. Onder een bepaald koudeverlies van de apparatuur kan de vereiste expansiehoeveelheid worden verminderd.
Omdat het geëxpandeerde gas de bovenste kolom niet binnendringt en de warmtebelasting van de hoofdcondensor wordt verminderd, is de stijgende gashoeveelheid in de bovenste kolom kleiner dan die bij luchtexpansie. Dientengevolge kan de kolomdiameter worden verkleind en kan de constructie worden vereenvoudigd.
Een toename van de hoeveelheid stikstofexpansie heeft een bepaald effect op het temperatuurverschil van de hoofdcondensor, waardoor het zuurstofgehalte in de afvalstikstof toeneemt en de zuurstofextractiesnelheid afneemt. De directe impact op de zuurstofzuiverheid is echter niet significant, en het effect op ruw argon is zelfs nog kleiner. Stikstofexpansie is al toegepast in grootschalige luchtscheidingseenheden in het buitenland.
Het werkmedium van stikstofexpansie is schoner dan dat van luchtexpansie; daarom kan de expander onder veiliger omstandigheden werken. Dit komt omdat het werkmedium voor stikstofexpansie uit het bovenste deel van de onderste kolom wordt gehaald en geen vast kooldioxide of andere onzuiverheden kan vervoeren. Daarentegen wordt het werkmedium voor luchtexpansie onttrokken aan de onderkant van de eerste borrelklokbak, en kan kooldioxide in de lucht in de expander worden getransporteerd, waardoor slijtage aan de expander wordt veroorzaakt. Bovendien is tijdens stikstofexpansie de druk na expansie 0,12 MPa en zullen vloeistofdruppels pas verschijnen als de temperatuur 78,7 K bereikt; daarom wordt er niet gemakkelijk vloeistof gegenereerd in de expander.
Omdat de minimale refluxverhouding van de onderste kolom groter is dan die van het rectificatiegedeelte van de bovenste kolom-, dat wil zeggen dat de refluxvloeistof in de onderste kolom minder overtollig is dan die in de bovenste kolom-, is de hoeveelheid gasvormige stikstof die uit de onderste kolom kan worden onttrokken kleiner dan de hoeveelheid lucht die naar de bovenste kolom kan worden gevoerd. Typisch bedraagt de hoeveelheid stikstofexpansie niet meer dan 16% van de hoeveelheid verwerkte lucht, terwijl de hoeveelheid luchtexpansie niet groter is dan 25% van de hoeveelheid verwerkte lucht.
