碳分子篩是利用篩分的特性來達(dá)到分離氧氣、氮?dú)獾哪康?。在分子篩吸附雜質(zhì)氣體時(shí)，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運(yùn)送到微孔和亞微孔中，微孔和亞微孔才是真正起吸附作用的容積。如前圖所示，碳分子篩內(nèi)部包含有大量的微孔，這些微孔允許動(dòng)力學(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi)，同時(shí)限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對(duì)擴(kuò)散速率存在差異，氣體混合物的組分可以被有效的分離。

國(guó)產(chǎn)分子篩由于受條件限制，對(duì)孔徑大小控制的不是很好。市面上銷售的碳分子篩微孔孔徑分布在0.3～1nm，只有巖谷分子篩做到了0.28～0.36nm。碳分子篩的原料為椰子殼、煤炭、樹脂等，步先經(jīng)加工后粉化，然后與基料揉合，基料主要是增加強(qiáng)度，防止破碎粉化的材料；第二步是活化造孔，在600～1000℃溫度下通入活化劑，常用的活化劑有水蒸氣、二氧化碳、氧氣以及它們的混合氣。它們與較為活潑的無定型碳原子進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，以擴(kuò)大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時(shí)間從10～60min不等；第三步為孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，利用化學(xué)物質(zhì)的蒸氣：如苯在碳分子篩微孔壁進(jìn)行沉積來調(diào)節(jié)孔的大小，使之滿足要求。

碳分子篩（英文名carbon molecular sieves）是新型的非極性吸附劑，具有在常溫變壓下吸附空氣中氧分子的性能，因而可獲得富氮?dú)怏w。它分離空氣的能力取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴(kuò)散速度、或不同的吸附力、或兩種效應(yīng)同時(shí)起作用，碳分子篩PSA空分制氮就是基于這一性能。

該裝置一般稱為制氮機(jī)。其工藝流程是采用在常溫下變壓吸附法（簡(jiǎn)稱P.S.A法），變壓吸附為無熱源的吸附分離過程，碳分子篩對(duì)被吸附組份（主要是氧分子）的吸附容量因上述原理在充壓、產(chǎn)氣時(shí)吸附，在降壓排氣時(shí)解吸，使碳分子篩再生。同時(shí)，床層氣相富集的氮?dú)獯┻^床層成為產(chǎn)品氣，各步驟連為循環(huán)操作。
變壓吸附過程循環(huán)操作包括：充壓、產(chǎn)氣；均壓；降壓、排氣；然后再充壓、產(chǎn)氣；……幾個(gè)工作階段，形成循環(huán)操作過程。其根據(jù)流程的再生方法不同，可分為真空再生流程和常壓再生流程。
P.S.A制氮機(jī)設(shè)備根據(jù)用戶的需要可包括空氣壓縮純化系統(tǒng)、變壓吸附系統(tǒng)、閥門程序控制系統(tǒng)（真空再生的還需帶有真空泵），及氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)。

碳分子篩制氮過程，當(dāng)一個(gè)吸附塔吸附結(jié)束時(shí)，可將此吸附塔內(nèi)的有壓氣體從上下兩個(gè)方向注入另一個(gè)已再生好的吸附塔中，并使兩塔氣體壓力相同，此一過程稱為吸附塔的均壓，選擇適當(dāng)?shù)木鶋簳r(shí)間，即可回收能量，也可以減緩吸附塔內(nèi)的分子篩受到的沖擊，從而達(dá)到延長(zhǎng)碳分子篩的使用壽命。參考伐門的切換速度一般選擇均壓時(shí)間為1～3秒。

根據(jù)碳分子篩對(duì)氧和氮的吸擴(kuò)散速率不同，其吸附O2在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到平衡，此時(shí)，N2的吸附量很少，較短的產(chǎn)氣時(shí)間，可有效的提高碳分子篩的產(chǎn)氣率，但同時(shí)也增加了伐門的動(dòng)作頻率，因此伐門的性能也很重要。一般選擇吸附時(shí)間為30～120秒。小型高純制氮機(jī)推薦使用短的產(chǎn)氣時(shí)間，大型低濃度推薦使用長(zhǎng)的產(chǎn)氣時(shí)間。