氧、氮两种气体分子在分子筛表面上的扩散速率不同，直径较小的气体分子（O2）扩散速率较快，较多的进入碳分子筛微孔，直径较大的气体分子（N2）扩散速率较慢，进入碳分子筛微孔较少。利用碳分子筛对氮和氧的这种选择吸附性差异，导致短时间内氧在吸附相富集，氮在气体相富集，如此氧氮分离，在PSA条件下得到气相富集物氮气。
碳分子筛对氧和氮在不同压力下某一时间内吸附量的变化差异曲线：
一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程为再生。根据再生压力的不同，可分为真空再生和常压再生。常压再生利于分子筛的彻底再生，易于获得高纯度气体。
变压吸附制氮机（简称PSA制氮机）是按变压吸附技术设计、制造的氮气发生设备。通常使用两吸附塔并联，由全自动控制系统按特定可编程序严格控制时序，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气。