待结晶物质的溶解度随温度降低明显减小，随温度升高而明显增大的物质（如硝酸钾、糖），采用冷却结晶可实现分离或提纯的目的。根据冷却方式不同，冷却结晶分为自然冷却结晶和控制冷却结晶。

利用自然环境中的冷量与结晶设备中的热溶液进行热量交换，从而降低溶液温度达到溶质结晶的目的。该方法操作简单、成本低，但因无法控制与过饱和度密切相关的温度，结晶产品质量（如粒度大小、粒度分布、纯度等）可能不满足要求。

根据降温速率的要求，按一定速率提供冷量，从而实现溶液降温、溶质结晶的目的。控制冷却分为间接冷却和直接接触式冷却。①间接冷却，冷却介质通过结晶器间壁或蛇形管与待结晶溶液进行热量交换。为了精确控制溶液温度，必须选择合适的传热材质用于冷却结晶的结晶装置，以提供足够的换热面。增加外部循环既可以增加换热面积，又可强化混合、提高传热速率，如带有外循环的搅拌釜式结晶器、流化床型冷却结晶器。外循环操作必须选用性能优良的循环泵，否则循环晶浆中的晶粒与循环泵的高速叶轮碰撞会产生较多细晶。在生产过程中常出现的问题是在换热面上结垢。②直接接触式冷却，冷却介质直接与溶液接触进行热量交换。冷却剂可以是固体、液体或气体，如冷空气或液态冷冻剂（如液氮、液体二氧化碳），或与溶液不互溶的冷的有机溶剂（如液态丁烷、2-丁酮、氯代烃、氟碳化合物）。