阶段冷却法是采用切换式换热器自清除水分和二氧化碳的空分设备的启动操作力法之一。在全低压空分设备中，在0.5MPa（表压）的操作压力下，水分在-40～-60℃已基本上冻结完毕。而二氧化碳要在-133℃以下才开始析出、冻结，直至-165～-170℃冻结完毕。由此可见，在-60℃至-133℃的区间是干燥区。利用这一原理，将启动操作中的设备冷却过程分阶段进行，即为阶段冷却法。整个冷却过程分为4个阶段：第一阶段为水分析出、冻结阶段。该阶段只对切换式换热器进行初冷，到冷端温度达到-60℃时为止；第二阶段为干燥阶段，可利用水分已经清除，而二氧化碳尚未析出之机，对其他设备进行初冷，到膨胀机后温度达-130℃时结束；第三阶段为二氧化碳析出阶段。该阶段又只对切换式换热器进行深冷，让二氧化碳冻结在换热器内，由低压返流气体带出，直至冷端温度达到-170℃时终止；第四阶段是利用已经净化的低温气体对其他设备进一步冷却，直至塔内积累起液体，再进一步调整精馏工况。
该方法因对各个设备的冷却是分阶段进行的，所以冷却均匀，热应力小。并且，由于在第二冷却阶段冷却塔内的各个设备，需要的冷量较大，使膨胀机在较高的入口温度下运转的时间较长，从而能够发挥透平膨胀机在高温下制冷量大的特点，使启动时间缩短。但由于需对设备反复进行冷却，阀门开闭次数多，操作较为复杂。
