本发明提供一种废混合盐的分离结晶系统，包括依次连接的溶解罐、过滤单元、蒸发结晶单元、臭氧氧化单元、纳滤单元、反渗透单元；所述反渗透单元还和所述蒸发结晶单元连接；所述蒸发结晶单元包括至少2个蒸发结晶器；所述分离结晶系统还包括在线检测系统和控制系统，所述在线检测系统用于检测所述过滤单元出水中的氯离子和硫酸根离子浓度，并将检测数据传输至所述控制系统，所述控制系统根据所述检测数据自动控制所述过滤单元出水进入一级蒸发结晶单元或者跳过所述一级蒸发结晶单元进入所述臭氧氧化单元。采用该系统进行废氯化钠和硫酸钠混合盐的处理，可获得高品质的氯化钠和硫酸钠盐，并且大大减少运行成本和投资成本。