本申请公开了一种深度空气分离系统，包括预冷系统、液氧蒸发器及分馏塔。预冷系统包括增压机、增压换热器及膨胀机，用以将物料深度制冷；液氧蒸发器包括塔顶出口、第一塔底出口、第二塔底出口、塔身入口和回流入口，塔顶出口用以排出分离后的氧气，第一塔底出口用以排出液氧；分馏塔包括上塔、下塔及设置于上塔底的主冷器，上塔位于下塔的顶部，上塔塔顶设置有用以排出氮气的上塔排气口及与预冷系统的物料出口相连通的塔中入口，下塔设置下塔进气口。采用上述技术方案，本申请不仅能够有效的提高空气分离的效率，并且能提高整个系统的能力利用率，操作简单方便，经济性高。