油水分离处理中常用的是油水分离器。油水分离器又称油水分离器，其主要原理是采用油水比重不同的方法，通过过滤、沉淀、浮动等方法集成油水分离。
一、气浮分离
气浮法是通过在水中形成微小的气泡，将絮状物浮到液面来净化水的方法。条件是附着在油滴上的气泡形成油气颗粒。
因为气泡的出现增加了水和颗粒之间的密度差，颗粒直径大于原油滴，用颗粒之间的密度代替油密度可以显著提高上升速度。也就是说，当一个气泡(或多个气泡)附着在一个油滴上时，可以增加垂直上升速度，从而去除直径比50μm小得多的油滴。
二、重力分离。
由于油、气、水的相对密度不同，成分必须是油和水的混合物。在一定的压力和温度下，当系统平衡时，会形成一定比例的油、气、水相。当相对较轻的成分处于层流状态时，重组液滴按照斯托克斯公式的运动规律沉降，重力沉降分离设备按照这个基本原理设计。
按照斯托克斯公式，沉降速度与油中水分半径的平方成正比，与油的密度差成正比，与油的粘度成反比。通过增加水分密度，扩大油的密度差，降低油的粘度，可以提高沉降分离速度，提高分离效率。
经过进一步探索，Hazen于1904年根据实践经验提出了浅池理论，即在重力沉降过程中，分散而不是天鹅绒颗粒的沉降效果以颗粒的沉降速度和池面积为函数来衡量，与池深和沉降时间无关，即提高沉降池的处理能力有两种方式:一种是扩大沉降面积，另一种是提高沉降速度。提高水分沉降速度的措施可以通过斯托克斯公式得出，扩大沉降面积的措施是在容器中设置多层水平隔板。

根据这一理论，美国壳牌公司于1950年开发了第一个成功的平行板捕集器，可以去除水中最小60μm的油滴。20世纪70年代，Fram公司开发了V型板分离器，20世纪80年代，CE-NATCO公司开发了板式聚合器，这是一种错流组合波纹板。经过不断改进，该设备已应用于油气分离、油水分离和含油污水净化。
在深入研究油水分离机理的基础上，根据相应的理论开发了高效蒸发设备，根据分离过程大致分为预分离室、沉降分离室、油室和水室三部分。预分离室一般配备碟形转向器和均质布液板，其原理是多次改变油水乳化液的运行方向和流速，加强机械断奶，进一步加快油水分离速度。

活性水洗可以大大降低乳液界面膜的强度。由于乳液与谁层之间的剪切和摩擦，界面膜破裂，促进液滴聚集，增加粒径，加速油水分离。沉降分离室主要起到进一步分离净化的作用，油水分离器是设计的关键。
三、粗粒子蒸发乳化水
利用油水对固体物质的亲和力，常用亲水疏油固体物质制成各种蒸发装置。用于油水分离的固体物质必须具有良好的润湿性。满足这个要求的材料有陶瓷、木屑、纤维材料、核桃壳等。
例如，大港油田的陶粒蒸发器使用陶粒作为填充剂。油水混合物流经陶粒层时，流速和方向不断变化，水滴碰撞和聚合的概率增加，小液滴迅速聚合沉降。
四、离心分离
利用油水密度的差异，高速旋转的油水混合液产生不同的离心力，使油与水分离。离心设备可以达到非常高的转速，产生数百倍的重力加速离心力。离心设备可以完全分离油水，只需要短的停留时间和小的设备体积。离心设备有运动部件，日常维护困难。目前只适用于实验室分析设备和需要减少占地面积的地方。
利用离心分离原理工作的主要设备室的水力旋流器，作为连续相得液体和分散相得固体粒子、液滴、气泡进行物理分离的设备使用。分散相和连续相之间的密度差越大，两相就越容易分离。与重力场的情况相似，在两相间的密度差一定的条件下，分散相得粒子的直径越大，重力场达到平衡状态时，两相间的反向运转速度差越大，越容易分离。

五、电气脱离
电蒸发作为油水处理的最终手段，广泛应用于油田和炼油厂。其原理是将乳液放置在高压交流DC电场。由于电场对水滴的影响，削弱了乳液的口罩强度，促进了水滴的碰撞和合并，最终聚集成粒径大的水滴，从原油中分离出来。
因为用电蒸发处理含水量高的原油乳液，会产生电击穿，不能建立极间必要的电场强度，所以电脱法不能单独使用，只能作为其它处理方法的后续工艺。