本实用新型公开了一种冷冻式气体分离系统，制冷系统上的第一冷源经一级冷却换热器上的相连通的一对入口和出口相连通，一级冷却换热器上的另一对连通的入口和出口分别接一级回热换热器和一级第二气液分离器，一级第二气液分离器上的气体出口经一级回热换热器与尾气收集系统相接，一级第二气液分离器上的液体出口与液态分离产物收集系统相接，一级回热换热器上有待分离气体供气口，在一级回热换热器与所述的一级冷却换热器之间接有一级第一气液分离器，液体出口与液态分离产物收集系统相接。故待分离气体进入一级回热换热器后被低温的回气冷却所产生的一部分液体，不进入下一步的冷却过程中，具有分离及时、节能的优点。