本发明公开了一种氮循环制冷的深冷分离一氧化碳气体的装置和工艺，属于深冷设备领域。该装置主要包括氮气压缩机系统和冷箱分离单元。氮气压缩机系统采用三级压缩机，用于为整个冷箱分离单元提供冷量。而冷箱分离单元中主体为冷箱，冷箱中设有板翅式换热器、脱甲烷塔冷凝器、脱甲烷塔再沸器、气液分离罐、富氢气闪蒸罐、汽提塔、脱氮塔和脱甲烷塔。本发明的深冷分离装置可以从分子筛吸附系统净化后的原料气中提取出CO产品气、燃料气、闪蒸汽和富氢气，从而实现组分的高效分离。本发明采用单独的循环氮气制冷系统，为整个装置提供冷量。整个装置中，根据换热网络的优化情况，进压缩机的氮气压力可以分为两个或三个等级，从而节约深冷分离的能耗。