利用天然氣所含各組分沸點的差別，在約-100°C以下的低溫分離回收其中某些組分的過程。工業上通常將-100°C以下的低溫冷凍，稱為深度冷凍，簡稱深冷。在天然氣化工中，深冷分離法用於分離回收濕性天然氣中C2以上烴，即天然氣凝析液（NGL）；生產液化天然氣以方便天然氣的貯存和運輸；用於富氮天然氣的脫氮以提高熱值；以及從富氦天然氣中分離回收氦。
冷凝法 用高壓天然氣的節流致冷效應，使C2以上烴冷凝分離。由於單純的節流效應是一個等焓過程，冷凝效率低，往往須同時用外加的輔助冷凍循環來提高制冷效果。如丙烷制冷循環冷卻至-37°C，此時約有50％的重烴被冷凝；未凝氣體進一步用乙烯制冷循環，冷卻至-93°C，全部丁烷、約99％丙烷和約87％乙烷從原料天然氣中冷凝析出。冷凝液再分別在脫乙烷塔、脫丙烷塔和脫丁烷塔中精餾，得到乙烷、丙烷、丁烷餾分和凝析油。
膨脹機法 利用天然氣在透平膨脹機中降壓膨脹作外功，而使溫度急劇下降，達到低溫。在其工藝流程（圖1)
中，天然氣在5.1MPa壓力下經過一系列換熱，冷卻至-54°C，此時約有54％的
C
2以上烷烴冷凝。未凝氣體進入透平膨脹機膨脹至1.67MPa，溫度下降至-93°C，使餘下的
C
2以上烷烴此時液化。然後再經逐級精餾可得到乙烷、丙烷、丁烷餾分。該工藝過程是等熵過程，不但能提高烴的回收率，而且能作外功，可用來帶動壓縮機輸送氣體。因此，能合理回收利用天然氣本身的機械能，具有先進的經濟性，在美國得到廣泛應用。
天然氣中提氦 目前世界各國從天然氣提取氦氣，廣泛采用部分冷凝法（圖2），使天然氣中除氦和氫外其餘組分全部冷凝脫除而獲得粗氦。生產過程包括天然氣預凈化（脫除水分、二氧化碳和硫化氫）、粗氦制取及氦精制。有時還與天然氣的液化或氮的液化過程相結合。
粗氦的制取通常需經二次冷凝過程。第一次冷凝得到氦含量為5％以上的一次粗氦(自氦汽提塔頂出來)，再經第二次冷凝得到氦含量為60％～90％的二次粗氦（自氦精餾塔頂出來）。第一次冷凝的冷源通常為沸騰的液甲烷，冷凝壓力按天然氣組分的氣－液相平衡條件確定，一般要求粗氦中無C2以上的烷烴餾分。凈化後並經預冷的天然氣，在冷凝蒸發塔中借釜液的蒸發，將溶於液烴中的氦釋放出來，釜液中溶解的氦要求小於10ppm。提取二次粗氦的冷源，通常為常壓沸騰的液氮或負壓沸騰的液甲烷，冷凝壓力仍由相平衡條件確定。工藝上要求二次粗氦中的甲烷含量小於1％。提取二次粗氦的設備也系冷凝蒸發塔，同樣要求釜液中溶解的氦量越少越好。
當天然氣的壓力為2.1MPa，冷凝溫度為-153°C時，氣相中氦濃度被濃縮到60％左右，此時溶解於液相中的氦量約為總氦量的14％，因此氦的提取率最高不超過86％。為瞭提高收率，60年代以後對冷凝法作瞭許多改進，如采用帶有汽提和精餾的部分冷凝、部分冷凝與液體逐級膨脹相結合、復式精餾塔等新工藝，以最大限度地回收溶解的氦。（見彩圖）
從天然氣中提取氦的裝置
天然氣液化 采用深冷法將天然氣液化，以滿足天然氣的輸送和城市煤氣高峰負荷的調節。有兩種基本制冷循環工藝：階式循環和膨脹機循環。世界上廣泛采用的方法是階式制冷循環法，常用液態丙烷、乙烯和甲烷蒸發所產生的低溫使天然氣逐級冷卻、液化。
天然氣經預處理用分子篩幹燥脫水至露點(-73°C)，再經各級冷凍制冷循環逐步冷卻至－147°C，此時天然氣中乙烷、丙烷、丁烷等大部分都已冷凝分離，隻有甲烷在此溫度下仍為氣體，隨後把 -147°C 的天然氣壓力從4.12MPa快速降至常壓，溫度進一步下降，使甲烷液化。
60年代後期出現瞭混合制冷劑循環工藝，用天然氣中分離出來的乙烷、丙烷、丁烷和氮的混合物作為制冷劑，以提高制冷循環的效率。