這種機器利用氣體對膜的滲透系數不同，進行氣體分離。中空纖維制氮機的關鍵是膜分離器，其結構見圖24-11，它由耐壓的鋼殼和中空纖維管束組成，每根中空纖維管的管壁，即為起分離作用的膜，管壁厚約100μm，其中位于管外表處的活性分離層只有幾個微米厚，余下的是疏松的多孔支承層。每臺膜分離器內的中空纖維管數多達數萬根至數十萬根。

不同種氣體透過膜時，滲透速率有差異，把滲透系數大的氣體稱為“快氣”，滲透系數小的氣體稱為“慢氣”。壓縮空氣從一端進入中空纖維管內，氧氣(快氣)從管內很快透過管壁，富集在管間隙和管與鋼殼間隙內，由于兩端的管間隙被樹脂封死，富氧氣體只能從中部的出口排出;氮氣(慢氣)則穿過中空纖維管，由另一端的富氮口輸出，送回氣調庫。

中空纖維制氮機工藝流程見圖24-12。其工作過程如下:空壓機1將氣調庫內氣體升壓后，送入高效過濾器2進行除水、油、雜質，以免中空纖維管堵塞影響分離效果;然后通過電加熱器3，其作用是保證膜良好滲透系數和分離系數所要求的溫度，防止進入分離器的空氣中殘留的水分結露影響分離效果，加熱溫度可以自動控制;由電加熱器出來的壓縮空氣進入中空纖維膜分離器，出來的富氮氣體經水冷卻器5降溫，最后經恒壓閥6減壓，返回氣調庫。膜分離器的鋼殼外設一定厚度隔熱層，以保證其所需的工作溫度和減少工作溫度的波動。