膜分離系統的工作原理就是利用一種高分子聚合物（通常是聚酰亞胺）薄膜來選擇“過濾”進料氣而達到分離的目的。當兩種或兩種以上的氣體混合物通過聚合物薄膜時，各氣體組分在聚合物中的溶解擴散系數的差異，導致其滲透通過膜壁的速率不同。由此可將氣體分為“快氣”（如H2O、Ｈ2、Ｈe等）和“慢氣”（如Ｎ2、ＣＨ4及其它烴類等）。當混合氣體在驅動力－膜兩側相應組分分壓差的作用下，滲透速率相對較的快氣體優先透過膜壁而在低壓滲透側被富集，而滲透速率相對較慢的氣體則在高壓滯留側被富集。