本发明涉及化工分离技术领域，具体涉及一种复杂溶剂体系的多级精馏分离工艺。一种复杂溶剂体系的多级精馏分离工艺，包括以下步骤：将石油馏分预处理后送入第一精馏塔，加入双层状溶剂和共沸剂共沸精馏，底部重组分转入采用逆流填料的第二精馏塔，加入萃取剂萃取精馏，得到中间产物或目标组分转入第三精馏塔，加入催化剂催化精馏，得高纯度产物。本发明采用双层状溶剂和多级精馏工艺，实现精准的溶剂‑原料匹配，能够针对性地优化不同组分的溶解和挥发特性，从而显著提升分离效率，确保目标产物的高纯度，另外，将萃取精馏放至第二阶段，并使用逆流填料，增强溶剂与目标组分的逆向流动接触，提升精馏效率，减少所需塔盘数和能耗。