冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减少的原理实现天然气脱水。此方法只适用于大量水分的粗分离。对于增加气体的压力和降低气体的温度，都会促使气体的液化。对于天然气这种多组分的混合物，各组分部分的液化温度都不同，其中水和重烃是较易液化的两种物质。所以采用加压和降温措施，可促使天然气中的水分冷凝析出。天然气中的露点随气体中水分降低而下降。脱水的目的就是使天然气中水的露点足够低，从而防止低温下水冷凝、冻结及水合物的形成。

对于井口压力很高的气体，可直接利用井口的压力,对气体进行节流降压到管输气的压力。根据焦耳--汤姆孙的效应，在降压过程中，天然气的温度也会相应降低，若天然气中水的含量很高，露点在节流后的温度以上，则节流后就会有水析出，从而达到脱水的目的。

对于压力比较低的天然气，可采用制冷方式进行冷却脱水。首先对天然气进行压缩,使天然气达到高温高压、经水冷却器冷却再经节流元件进行节流,从而使温度降至天然气中水的露点以下，则水从天然气中析出，实现脱水。若冷却脱水过程达不到作为液化厂原料气中水露点的要求，则还应采用其他方法对天然气进行进一步的脱水。通常用冷却脱水法脱除水分的过程中还会脱除部分重烃。