这种机器利用气体对膜的渗透系数不同，进行气体分离。中空纤维制氮机的关键是膜分离器，其结构见图24-11，它由耐压的钢壳和中空纤维管束组成，每根中空纤维管的管壁，即为起分离作用的膜，管壁厚约100μm，其中位于管外表处的活性分离层只有几个微米厚，余下的是疏松的多孔支承层。每台膜分离器内的中空纤维管数多达数万根至数十万根。
不同种气体透过膜时，渗透速率有差异，把渗透系数大的气体称为“快气”，渗透系数小的气体称为“慢气”。压缩空气从一端进入中空纤维管内，氧气(快气)从管内很快透过管壁，富集在管间隙和管与钢壳间隙内，由于两端的管间隙被树脂封死，富氧气体只能从中部的出口排出;氮气(慢气)则穿过中空纤维管，由另一端的富氮口输出，送回气调库。
中空纤维制氮机工艺流程见图24-12。其工作过程如下:空压机1将气调库内气体升压后，送入高效过滤器2进行除水、油、杂质，以免中空纤维管堵塞影响分离效果;然后通过电加热器3，其作用是保证膜良好渗透系数和分离系数所要求的温度，防止进入分离器的空气中残留的水分结露影响分离效果，加热温度可以自动控制;由电加热器出来的压缩空气进入中空纤维膜分离器，出来的富氮气体经水冷却器5降温，最后经恒压阀6减压，返回气调库。膜分离器的钢壳外设一定厚度隔热层，以保证其所需的工作温度和减少工作温度的波动。
