本发明提供一种用于空分设备的多层主冷系统，包括多个换热装置，换热装置包括液氧槽，液氧槽的下方均匀间隔设置有多个竖直设置的第一换热通道，相邻的两个第一换热通道之间形成有第二换热通道，每个第二换热通道的顶部均设置能够掩盖第二换热通道的溢流槽，每个溢流槽的顶部均处于同一水平面，液氧槽的底部设置有与溢流槽一一对应的出液通道，由溢流槽溢出的液氧能够流入相邻的两个第一换热通道，液氧槽上设置有第一溢流孔，蒸馏塔的侧壁上位于每个换热装置的下方均设置有流入口，每个换热装置的第一溢流孔通过第一管道与其下方的流入口相连通，第二换热通道设置有氮气进入口及液氮流出口，通过这种设置方式可以提高主冷系统的换热速率。