压缩空气经清理水分、二氧化碳，并在热交换器中被冷却及膨胀(对中压流程)后送进下塔的下部，作为下塔的上升气。由于它含氧21%，在0.6MPa下，对应的饱和温度为100.05K。在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔的上开始往下方流，作为回流液体。因其含氧为0.01%～1%，在0.6MPa下的饱和温度约为96.3K。由此可见，精馏塔下部的上升蒸气温度高，从塔顶往下方流的液体温度较低。下塔的上升气每经过一块塔板就碰到比它温度低的液体，气体本身的温度就要下降，并不断有部分蒸气冷凝成液体。
由于氧是难挥发组分，氮是易挥发组分，在冷凝过程中，氧要比氮较多地冷凝下来，于是剩下的蒸气中含氮浓度就有所进步。就这样一次、一次地进行下往，到塔顶后，蒸气中的氧尽大部分已被冷凝到液体中往了，其含氮浓度可到99%。这部分氮气被引到冷凝蒸发器中，放出热量后冷凝成液氮，其中一部分作为下塔的回流液从上往下活动。液体在往下方流的过程中，每经过一块塔板碰到下面上升的温度较高的蒸气，吸热后有一部分液体就要气化。在气化过程中，由于氮是易挥发组分，氧是难挥发组分，因此氮比氧较多地蒸发出来，剩下的液体中氧浓度就有所进步。这样一次、一次地进行下往，到
精馏塔底就可得到氧含量为38%～40%的液空。因此，经过下塔的精馏，可将空气初步分离成含氧38%～40%的富氧液空和含氮99%以上的液氮。
然后将液空经节流降压后送到上塔中部，作为进一步精馏的原料。与下塔精馏的原理相同，液体向下方流动时，经多次部分蒸发，氮较多地蒸发出来，于是液体中的含氧浓度不断进步，到达上塔底部可获得含氧99.2%～99.6%的液氧。从液空进料口至上塔底部塔板上的精馏是进步难挥发组分的浓度，叫提馏段。这部分液氧在冷凝蒸发器中吸热而蒸发成气氧，在0.14MPa下它的温度为93.7K左右。一部分气氧作为产品引出，大部分作为上塔的上升气。在上升过程中，部分蒸气冷凝，蒸气中的氮含量不断增加。由于上塔中部液空进口处的上升气中还有较多的氧组分，如果将它放掉，氧的损失太大，所以应再进行精馏。
从冷凝蒸发器中引出部分含氮99%以上的液氮节流后送至上塔顶部，作为回流液，蒸气再进行多次部分冷凝，同时回流液多次部分蒸发。其中氧较多地留在液相里，氮较多地蒸发到气相中，到了上塔顶，便可得到含氮99%以上的氮气。从液氮进料口到液空进料口是为了进一步进步蒸气中低沸点组分(氮)的浓度，叫精馏段。如果需要纯氮产品还需要再次精馏，才能得到含氮99.99%的纯氮产品。这就是精馏塔内将空气分离成氧、氮的过程。
