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多成分系混合ガスを圧縮，冷却，膨張させることによって液化し，蒸留や凝縮操作を用いて混合ガス中の各成分に分離する方法をいう．空気を液化し蒸留操作によって窒素，酸素，アルゴンなどを分離する空気分離はその代表である．このほかに石炭系，石油系ガスあるいは天然ガスなどからメタン，エチレン，プロピレンなどが深冷分離により分離精製されている．深冷分離では圧縮装置，冷凍冷却装置，深冷設備などにコストがかかるため，プラント全体はコンパクトになるように設計されている．
