如果用电子显微镜观察空气，你就会发现一个庞大的气体王国，居住着氧气、氮气及多种天然气家族成员，组成这些气体的分子都有着轻盈的体态，日夜在空中起舞。气温越高，舞会的气氛也越活跃。
如果一种气体分子让你一见倾心，那么如何“俘获”她的芳心呢？方法很简单，利用气体分子之间沸点的差异让她从舞会中跑出来。当气温降到－42．1℃时，身材高大丰满的丙烷分子开始抱团取暖，手拉手地在一起变成液体。当气温降至－56．6℃时，二氧化碳也匆匆从气体群分离出来。乙烷比她的姐姐丙烷稍显活跃，在－88．6℃时就会退出舞池。但也比不过小妹甲烷，如果温度还未降到－161．5℃以下，甲烷仍然保持着气体分子的从容优雅。氧气和氮气比甲烷更加贪恋舞池，她们的沸点分别为－180℃和－195．8℃。
最小巧“高冷”的是氦气，她的沸点为－268．9℃，接近理论上自然界中的极寒温度——让一切分子停止运动的绝对零度。利用这一特性，通过制造低温条件，可以获得纯度较高的气体组分，比如用于外科冷冻治疗的液氮、作为火箭推进氧化剂的液氧、使核磁共振仪工作的液氦。
液化分离的原理虽然简单，但涉及的技术问题却很复杂，如如何获得如此低的温度。第一种方法是梯度液化法，将多种液化温度不同的气体作为制冷剂逐级使用，使温度逐级下降分离气体。好像一场制冷接力赛，第一棒是液氨，制冷温度在－25～－18℃。液态丙烷接过接力棒，可将制冷温度降低到－30℃以下。接下来是乙烯和甲烷，将制冷温度降到－100℃，将天然气中除甲烷、氦气外的其他成分冷却和分离，获得以乙烷、丙烷、丁烷为主要成分的天然气凝析液。天然气凝析液进入裂解炉后脱去身上的氢原子、碳原子之后重新组合，变为乙烯或丙烯，是生产塑料和树脂的重要原料。
梯度液化法需要动用的制冷机组多，对制冷剂的纯度要求严格，因此单靠此办法不能俘获氦气、氮气、甲烷等沸点更低的气体分子。面对这些舞会上的“冰美人”该怎么办呢？英国物理学家焦耳和汤姆孙（即开尔文）发现气体通过多孔塞发生绝热膨胀后温度会发生变化，大多数的气体膨胀后变冷，但氢和氦则变热，这就是“节流效应”。
1895年，德国人卡尔·林德利用这一原理制造出世界上第一台空气液化机器，用于制取纯氧和纯氮，推动气体液化研究进入了低温世界，也为天然气的低温分离和加工奠定了基础。如果气体绝热膨胀的同时向外做功，则会因失去更多能量进一步降低气温，获得更好的制冷效果，工业上通常采取氮气循环膨胀制冷。
通常－100℃以下的低温冷冻为深度冷冻，简称“深冷”。天然气家族中，甲烷、乙烷、氦气三位成员性格“高冷”，因此液化天然气（LNG）、液态乙烷、液氦的生产离不开深冷分离技术。
除了通过节流膨胀与做功制造低温，分离过程还需要通过板翅式换热器实现快速冷却。换热器材质为轻质且散热快的铝合金，设计仿造鸟类翼展时的翅膀，宽大的隔板构成巨大的平面，轻薄的翅片在隔板间整齐排列，交错构成一条条细小的通道，供气体或者液体穿过时快速散热，就像是鸟类的飞羽构成的细小气流通道帮助它们翱翔蓝天。气田中采出的天然气经净化后，仍然含有少量的二氧化碳和水，以及微量的硫化氢。深冷温度下，这些杂质会冻结而堵塞换热器的通道，因此进入换热器前，必须在分子筛吸附器中将原料气中微量的杂质脱除。
深冷分离的过程中，由于采用了气体压缩循环、换热等技术手段制造出自然界难以达到的低温，是天然气处理过程中的耗能大户。生产1立方米精制氦气消耗能量相当于89～133千瓦时电，约等于一个三口之家两个月的用电量。
