復(fù)疊式制冷循環(huán)由若干個在不同溫度下操作的制冷循環(huán)重疊組成。在其高、中、低溫部分分別使用高、中、低制冷劑。對于天然氣液化，現(xiàn)多采用由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的三級復(fù)疊式制冷循環(huán)，提供天然氣液化所需的冷量，他們的制冷溫度分別為-45℃、-100℃及-160℃。
凈化后的原料天然氣在3個制冷循環(huán)的冷卻器中逐漸地別冷卻、冷凝液化并過冷，最后用低溫泵送入儲槽。該循環(huán)的優(yōu)點是冷熱介質(zhì)的平均溫差較大，換熱器面積小，且制冷循環(huán)在天然氣液化系統(tǒng)各自獨立，相互影響少，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強，技術(shù)成熟，設(shè)計計算簡單。缺點是流程復(fù)雜，機組多，至少要有3臺壓縮機，要有生產(chǎn)和儲存各種制冷劑的設(shè)備，各制冷循環(huán)系統(tǒng)不允許相互滲漏，管線及控制系統(tǒng)復(fù)雜，管理維修不方便，對制冷劑的純度要求嚴(yán)格。目前主要使用于處理規(guī)模大、連續(xù)生產(chǎn)的基地型工廠。