以氮气作为膨胀机的工质的流程叫氮膨胀。氮膨胀分成纯氮气膨胀和污氮气膨胀两类。纯氮气膨胀流程是从下塔顶部和主冷凝器氮侧顶部抽出纯氮气，一部分经切换式换热器环流通道复热后再汇合进入透平膨胀机，膨胀后的氮气经板翅式换热器作为产品氮气引出。
污氮气膨胀流程，它是从下塔中部抽出含氧1%左右的污氮气，一部分经切换式换热器环流通道复热后再汇合进入透平膨胀机，膨胀后的污氮经过冷液化器和切换式换热器复热回收冷量，再通过蒸发冷却塔吸收冷却水的蒸发热后放空。
由于从下塔抽出氮气，使主冷凝器的液氮冷凝量减少，因此送入上塔的回流液氮减少，使精馏塔的回流比达到比较合理的数值，这样充分利用上塔的精馏潜力，提高氧的提取率。
氮膨胀的优缺点是：
1)氮膨胀后气体不进入上塔，因此它不会直接影响上塔精馏工况，它在膨胀后的过热度可以比空气膨胀高，膨胀后的压力也可以比空气膨胀低一些。因而单位制冷量就比空气膨胀要大，在设备冷损一定的情况下，它的膨胀量就可少一些；
2)由于膨胀后的气体不入上塔，并且主冷的热负荷减小，因此上塔的上升气量比空气膨胀的要少，从而塔径可以缩小，结构也可以简化；
3)氮膨胀量增大对主冷温差有一定影响，会使污氮中的含氧量升高，降低氧的提取率，可是对氧纯度的直接影响不太大，对馏分氩的影响则更小，在国外的大型空分设备上已采用氮膨胀；
4)氮膨胀的工质比空气膨胀的工质要干净，因而膨胀机可以在更安全的条件下运行。因为氮膨胀的工质是从下塔上部抽出的，它不可能带有固体二氧化碳等杂质。而空气膨胀的工质是从下面块泡罩塔板上抽出的，空气中的二氧化碳就有可能被带入膨胀机内，引起膨胀机的磨损。此外，在氮膨胀时，膨胀后压力是0.12MPa，温度要到78.7K才会出现液滴，因此在膨胀机中不容易产生液体；
5)由于下塔的较小回流比大于上塔精馏段的较小回流比，也就是说下塔回流液比上塔回流液富余得少，所以从下塔能抽取的气氮量要比能送入上塔的空气量少。通常，抽氮膨胀量不超过加工空气量的16%，而空气膨胀量不超过加工空气量的25% 。
