Процес, який використовує азот як робоче середовище детандера, називається розширенням азоту. Розширення азоту поділяється на дві категорії: розширення чистого азоту та розширення відпрацьованого азоту.
Процес розширення чистого азоту показано на малюнку 12. Чистий азот витягується з верхньої частини нижньої колони та верхньої частини азотної сторони головного конденсатора. Частина його повторно нагрівається через регенеративний канал реверсивного теплообмінника, потім об’єднується та подається в турбо-детандер. Після розширення азот відводиться як азот продукту через пластинчатий-ребристий теплообмінник.
Процес розширення відпрацьованого азоту показано на малюнку 13. Відпрацьований азот, що містить приблизно 1% кисню, витягується з середини нижньої колони. Частина його повторно нагрівається через регенеративний канал реверсивного теплообмінника, потім об’єднується та подається в турбо-детандер. Після розширення відпрацьований азот знову нагрівається через переохолоджувач-зріджувач і реверсивний теплообмінник для відновлення холодної енергії, а потім викидається в атмосферу після поглинання тепла випаровування охолоджувальної води у випарній градирні.
Оскільки азот витягується з нижньої колони, конденсація рідкого азоту в основному конденсаторі зменшується. Отже, кількість флегмового рідкого азоту, що подається у верхню колону, зменшується, дозволяючи флегмовому коефіцієнту дистиляційної колони досягти більш розумного значення. Це повністю використовує дистиляційний потенціал верхньої колони та покращує швидкість вилучення кисню.
Переваги та недоліки розширення азоту такі:
Газ після розширення азоту не надходить у верхню колону; тому безпосередньо не впливає на умови дистиляції верхньої колони. Його перегрів після розширення може бути вищим, ніж при розширенні повітря, а тиск після розширення також може бути трохи нижчим, ніж тиск при розширенні повітря. Таким чином, холодопродуктивність установки є більшою, ніж потужність повітряного розширення. За певних втрат холоду обладнання необхідну кількість розширення можна зменшити.
Оскільки розширений газ не потрапляє у верхню колону, а теплове навантаження головного конденсатора зменшується, кількість газу, що піднімається у верхній колоні, менша, ніж у розширенні повітря. Отже, діаметр колони можна зменшити, а конструкцію можна спростити.
Збільшення обсягу розширення азоту має певний вплив на різницю температур головного конденсатора, що призведе до збільшення вмісту кисню у відпрацьованому азоті та зниження швидкості вилучення кисню. Однак його прямий вплив на чистоту кисню незначний, а на сирий аргон ще менший. Розширення азоту вже застосовано в-великомасштабних установках поділу повітря за кордоном.
Робоче середовище при розширенні азоту чистіше, ніж при розширенні повітря; тому розширювач може працювати в більш безпечних умовах. Це пояснюється тим, що робоче середовище розширення азоту витягується з верхньої частини нижньої колони, і воно не може переносити твердий вуглекислий газ або інші домішки. Навпаки, робоче середовище повітряного розширення витягується з-під першого лотка з бульбашковою кришкою, і вуглекислий газ у повітрі може переноситися в розширювач, спричиняючи знос розширювача. Крім того, під час розширення азоту тиск після розширення становить 0,12 МПа, і краплі рідини не з’являться, поки температура не досягне 78,7 К; отже, рідина нелегко утворюється в розширювачі.
Оскільки мінімальний флегмовий коефіцієнт нижньої колони більший, ніж у ректифікаційній секції верхньої колони-тобто флегмової рідини в нижній колоні менший надлишок, ніж у верхній колоні-кількість газоподібного азоту, який можна вилучити з нижньої колони, менша за кількість повітря, яке можна подати у верхню колону. Як правило, кількість азоту, що розширюється, не перевищує 16% від кількості обробленого повітря, тоді як кількість повітря, що розширюється, не перевищує 25% від кількості обробленого повітря.
