低温精馏法方法是先将空气冷却至液化，然后在不同的沸腾温度下选择性地蒸馏成分。该工艺可以生产高纯度气体，能耗高。低温
分离过程要求
热交换器和分离塔紧密结合，以获得良好的效率，所有制冷能量都由装置入口的
空气压缩机提供。
为了达到较低的精馏温度，
空分设备需要利用
节流装置获得
制冷量即等温节流效应（
林德液化循环）， 或利用
膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量（克劳特液化循环），将
空气液化，并且冷设备必须保持在一个绝缘的外壳内（通常称为“
冷箱”）。
膜技术可以为空气分离提供替代的、低能耗的方法。例如，在环境或温暖温度下操作的聚合膜可以产生
富氧空气（25-50%氧气）。
陶瓷膜可以提供高纯度的氧气（90%或更多），但需要更高的温度（800-900℃）才能工作。这些陶瓷膜包括离子传输膜（ITM）和氧传输膜（
OTM）。膜
气体分离是用来提供贫氧和富氮气体，而不是空气，以填补燃料箱的
喷气式客机，从而大大减少了意外火灾和爆炸的机会。相反，膜气体分离被用来为飞行员提供富氧空气在高空飞行的飞机上没有
加压舱。
变压吸附提供从空气中分离氧或氮而不液化。该工艺在
环境温度下运行；
沸石（分子海绵）暴露于高压空气中，然后释放空气并释放所需气体的
吸附膜。
压缩机的尺寸比液化装置小得多，
便携式制氧机就是这样制造的，为医疗目的提供富氧空气。真空
变幅吸附也是一个类似的过程；产品气体是在亚大气压下从沸石中析出的。
自空压机来的压缩空气，经
空气预冷系统预冷净化，分子筛除去水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质后，一部分空气被直接送往
精馏塔的
上塔，另一部分则进入膨胀机经
膨胀制冷后，被送往下塔。精馏塔中，上升蒸汽和下落液体经热量交换后，在上塔的顶部可得到纯度很高的氮气，在上塔底部可得到纯度很高的氧气。