裂解气深冷分离是裂解气分离的重要方法之一，因过程采用了-100℃以下的低温冷冻系统，所以称深冷。原理是利用裂解气中各种烃的相对挥发度不同，在低温下把氢气以外的烃类都冷凝下来，然后在精馏塔内进行多组分精馏分离，因此这一方法实质是冷凝精馏过程。

工业上广泛采用的深冷分离方法有低压法和高压法两种。前者脱甲烷塔在 0.6～0.7MPa的低压下操作，后者脱甲烷塔在约3.0MPa下操作。低压法的特点是在低压下甲烷与乙烯的相对挥发度增大。这在提馏段要求釜液甲烷含量低时更显得重要。另外，利用分氢过程冷凝的重组分由高压节流至低压脱甲烷塔时，能够蒸发部分甲烷并使液体降温，因此可降低该塔的回流比，从而节省能量。但塔顶温度低至-130℃，需用甲烷－乙烯-丙烯三级制冷,使系统复杂化，低温钢材用量也相应增多。高压法的脱甲烷塔塔顶温度为-96℃,只需用乙烯作制冷剂，制冷系统简单，低温钢材用量少；其缺点是压力增加，相对挥发度减小，不利于组分分离，需加大塔的回流比，能耗增大。

以轻柴油为裂解原料的裂解气高压法顺序分离流程（见图）为例，分离步骤是：①裂解气经冷却预分馏除去重组分后，进入五段的透平压缩机。压缩后的气体，进入装填分子筛的干燥器中，干燥后的气体同各种冷物料、丙烯制冷剂和乙烯制冷剂进行热交换。冷凝的液态烃根据轻重分别进入脱甲烷塔塔板相应的位置，即多股进料。未冷凝的富氢气体可作为乙炔加氢的氢气来源，或进一步用变压吸附法提高浓度以得到产品氢气。②脱甲烷塔顶操作压力3.4MPa、温度－96℃，用蒸发-101℃乙烯冷却，塔釜用冷凝气相丙烯再沸。③脱甲烷塔釜液流入脱乙烷塔,此塔顶部分出的乙烯-乙烷馏分与氢混合后进入乙炔转化塔脱炔，用氧化铝载体上的钯催化剂，使乙炔转化为乙烯或乙烷,残存乙烃仅1～2ppm。加氢后的气体脱除加氢过程所生成的少量聚合物(绿油)后，进入乙烯精馏塔。产品乙烯从塔顶第 8块侧线抽出；塔顶排出因加氢带入的甲烷，并返回压缩机三段以回收其中伴随的乙烯；塔底的乙烷则作为裂解原料送入裂解炉。④脱乙烷塔的釜液进入脱丙烷塔,釜温达109℃,在此温度下,双烯烃有聚合的倾向。故另有备用再沸器以便定期切换及清理。塔顶C3馏分含丙烯约90%,进行加氢除去甲基乙炔与丙二烯后，可作为化学级丙烯产品。为了获得聚合级产品,则要用精馏法除去少量C2，再进入丙烯精馏塔,分离丙烷。⑤脱丙烷塔底物料送入脱于烷塔，塔顶馏出的碳四馏分可作商品出售或用于抽提丁二烯与丁烯。塔底得到碳五以上裂解汽油。

裂解气各组分分离的先后，在不违反其组分沸点的顺序下，是可以采用多种排列的方法分离的，在工业上普遍采用的是以碳原子数由少到多依次分离的顺序流程。此外，还有将裂解气先分为氢气-甲烷-C2烃和其他重组分两部分，然后再逐个分离，这是前脱乙烷流程。也有用先分出氢气和C1～C3烃的前脱丙烷流程。后两个流程的乙炔催化加氢通常在脱甲烷之前进行，故亦称前加氢流程。这时可以利用裂解气中本身所含的氢而无需另行补充。但裂解气中因有大量过剩的氢，反应难以控制，难免有少量的乙烯也被加氢而变成乙烷。此外，前加氢流程在脱乙烷（或脱丙烷）时，由于含有大量的轻组分，塔顶温度较低，因而比在顺序流程中相应部分所消耗的能量高10%～15%。如果采用后加氢流程则可严格控制氢炔之比，使乙炔转为乙烯，乙烯总量因而略增加。