對于油水分離處理，常用到的有油水分離機。油水分離機也叫油水分離器，其主要原理是采用油水的比重不同，運用過濾、沉淀、浮升等方法匯集一體進行油水分離的。
1、氣浮分離
氣浮法是依靠水中形成微小氣泡，攜帶絮粒上浮至液面使水凈化的一種方法。條件是附在油滴上的氣泡可形成油-氣顆粒。由于氣泡的出現(xiàn)使水和顆粒之間密度差加大，且顆粒直徑比原油油滴大，所以用顆粒之間密度代替油密度可使上升速度明顯提高。即當(dāng)1個氣泡（或多個氣泡）附在1個油滴上可增加垂直上升速度，從而可脫除直徑比50μm小得多的油滴。
2、重力式分離
由于油、氣、水的相對密度不同，組分一定得油水混合物在一定得壓力和溫度下，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡時就會形成一定比例的油、氣、水相。當(dāng)相對較輕的組分處于層流狀態(tài)時，較重組分液滴根據(jù)斯托克斯公式的運動規(guī)律沉降，重力式沉降分離設(shè)備即根據(jù)這一基本原理進行設(shè)計。有斯托克斯公式可知，沉降速度與油中水分半徑的平方成正比，與水油的密度差成正比，與油的粘度成反比。通過增大水分密度，擴大油水密度差，減小油液粘度可以提高沉降分離速度，從而提高分離效率。
經(jīng)過進一步的探索，1904年Hazen根據(jù)實踐經(jīng)驗提出了“淺池理論”，即在重力沉降過程中，分散而非結(jié)絨顆粒的沉降效果以顆粒的沉降速度與池面積為函數(shù)衡量，與池深、沉降時間無關(guān)，也即提高沉降池的處理能力有兩個途徑：一是擴大沉降面積，二是提高水分沉降速度。提高水分沉降速度的措施可以通過斯托克斯公式得出，擴大沉降面積的措施是在容器內(nèi)設(shè)置多層水平隔板。以這一理論為基礎(chǔ)，1950年美國殼牌公司研制成功第一臺平行板捕集器，其可去除水中最小為60μm的油滴。上世紀(jì)70年代Fram公司開發(fā)了V型板分離器，上世紀(jì)80年代CE-NATCO公司開發(fā)了板式聚結(jié)器，這是一種錯流式組合波紋板，經(jīng)過不斷改進，這種設(shè)備在油氣分離、油水分離和含油污水凈化方面都得到了應(yīng)用。
在較為深入研究油水分離機理的基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)理論研制出了高效蒸發(fā)設(shè)備，其按分離過程大體分為預(yù)分離室、沉降分離室以及油室和水室3部分。預(yù)分離室內(nèi)一般設(shè)有碟形轉(zhuǎn)向器和均質(zhì)布液板，其原理是通過多次改變油水乳化液的運行方向和流速，強化機械破乳作用，從而進一步加快油水分離速度。通過活性水洗滌可以大大降低乳狀液界面膜強度，由于乳化液與誰層間的剪切和摩擦作用，使其界面膜破裂，促進液滴聚并，使其粒徑變大，加速油水分離。沉降分離室主要起進一步分離凈化的作用，油水分離器是設(shè)計的關(guān)鍵。
3、乳化水的粗粒化蒸發(fā)
利用油水對固體物質(zhì)親和狀況的不同，常用親水憎油的固體物質(zhì)制成各種蒸發(fā)裝置。用于油水分離的固態(tài)物質(zhì)應(yīng)具有良好的潤濕性。適合這種要求的材料有：陶瓷、木屑、纖維材料、核桃殼等。例如大港油田的陶粒蒸發(fā)器，用陶粒作填料，當(dāng)油水混合物流經(jīng)陶粒層是，被迫不斷改變流速和方向，增加了水滴的碰撞聚結(jié)幾率，使小液滴快速聚結(jié)沉降。
4、離心分離
利用油水密度的不同，使高速旋轉(zhuǎn)的油水混合液產(chǎn)生不同的離心力，從而使油與水分開。由于離心設(shè)備可以達(dá)到非常高的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生高達(dá)幾百倍重力加速度的離心力，因此離心設(shè)備可以較為徹底地將油水分離開，并且只需很短的停留時間和較小的設(shè)備體積。由于離心設(shè)備有運動部件，日常維護較難，因此目前只應(yīng)用于試驗室的分析設(shè)備和需要減小占地面積的場所。
利用離心分離原理工作的一種主要設(shè)備室水力旋流器，它用于將作為連續(xù)相得液體與作為分散相得固粒、液滴或氣泡進行物理分離的設(shè)備。分散相與連續(xù)相之間的密度差越大，兩相就越容易分離。與重力場中的情況類似，在兩相之間的密度差一定得條件下，分散相得顆粒直徑越大，在重力場中達(dá)到平衡狀態(tài)時兩相之間反向運行的速度差越大，因此就越容易分離。
5、電脫分離
電蒸發(fā)作為油水處理的最終手段，在油田和煉油廠得到廣泛應(yīng)用，其原理是乳狀液置于高壓的交流或直流電場中，由于電場對水滴的作用，銷弱了乳狀液的界面膜強度，促進水滴的碰撞、合并，最終聚結(jié)成粒徑較大的水滴，從原油中分離出來。由于用電蒸發(fā)處理含水量較高的原油乳狀液時，會產(chǎn)生電擊穿而無法建立極間必要的電場強度，所以，電脫法不能獨立使用，只能作為其它處理方法的后序工藝。