膜分离的基本原理是利用各气体组分,在高分子集合物中的溶解和扩散速率不同，在膜两侧压差的作用下导致其渗透，通过纤维膜壁的速率变化而分离。推动力（膜两侧相应组分的分压差）、膜面积及膜的分离选择性，构成了膜分离的三要素，按照气体渗透通过膜的速率快慢，可把气体分成H2O、H2、He、H2S、CO2等“快气”，和CH4及其它烃类、N2、CO、Ar等“慢气”。

膜分离器的外壳类似管壳式换热器，内装数万根细小的中空纤维，中空纤维能在最小的体积上提供最大的分离面积，使得分离系统紧凑且高效，同时在很薄的纤维壁支撑下，承受较大的压力差。混合气体进入膜分离器壳程后，沿纤维外侧流动，维持纤维内外两侧一适当的压力差，气体在分压差的推动下，“快气”（H2O、CO2）选择性的优先透过纤维膜壁，在管内低压侧富集导出膜分离系统，渗透速率较慢的气体（烃类）则被滞留在非渗透气侧，压力几乎跟原料气的相同被送出界区。