階段冷卻法是采用切換式換熱器自清除水分和二氧化碳的空分設備的啟動操作力法之一。在全低壓空分設備中，在0.5MPa(表壓)的操作壓力下，水分在-40～-60℃已基本上凍結完畢。而二氧化碳要在-133℃以下才開始析出、凍結，直至-165～-170℃凍結完畢。由此可見，在-60℃至-133℃的區間是干燥區。利用這一原理，將啟動操作中的設備冷卻過程分階段進行，即為階段冷卻法。整個冷卻過程分為4個階段：第一階段為水分析出、凍結階段。該階段只對切換式換熱器進行初冷，到冷端溫度達到-60℃時為止；第二階段為干燥階段，可利用水分已經清除，而二氧化碳尚未析出之機，對其他設備進行初冷，到膨脹機后溫度達-130℃時結束；第三階段為二氧化碳析出階段。該階段又只對切換式換熱器進行深冷，讓二氧化碳凍結在換熱器內，由低壓返流氣體帶出，直至冷端溫度達到-170℃時終止；第四階段是利用已經凈化的低溫氣體對其他設備進一步冷卻，直至塔內積累起液體，再進一步調整精餾工況。
該方法因對各個設備的冷卻是分階段進行的，所以冷卻均勻，熱應力小。并且，由于在第二冷卻階段冷卻塔內的各個設備，需要的冷量較大，使膨脹機在較高的入口溫度下運轉的時間較長，從而能夠發揮透平膨脹機在高溫下制冷量大的特點，使啟動時間縮短。但由于需對設備反復進行冷卻，閥門開閉次數多，操作較為復雜。