由于油、氣、水的相對密度不同,組分一定的油水混合物在一定的壓力和溫度下,當系統處于平衡時就會形成一定比例的油、氣、水相。當相對較輕的組分處于層流狀態時,較重組分液滴根據斯托克斯公式的運動規律沉降，重力式沉降分離設備即根據這一基本原理進行設計。

由斯托克斯公式可知,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。

經過進一步的探索,1904年Hazen根據實踐經驗提出了"淺池理論",即在重力沉降過程中,分散而非結絨顆粒的沉降效果以顆粒的沉降速度與池面積為函數衡量,與池深、沉降時間無關,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設置多層水平隔板。以這一理論為基礎,1950年美國殼牌公司[3]研制成功第1臺平行板捕集器,其可去除水中最小為60μm的油滴。上世紀70年代Fram公司開發了V型板分離器,上世紀80年代CENATCO公司開發了板式聚結器,

這是一種錯流式組合波紋板,經過不斷改進,這種設備在油氣分離、油水分離和含油污水凈化方面都得到了應用。

在較為深入研究油水分離機理的基礎上,根據相應理論研制出了高效蒸發設備,其按分離過程大體分為預分離室、沉降分離室以及油室和水室3部分。

預分離室內一般設有蝶形轉向器和均質布液板,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,由于乳化液與水層間的剪切和摩擦作用,使其界面膜破裂,從而促進液滴聚并,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,油水分離器是設計的關鍵。

利用油水密度的不同,使高速旋轉的油水混合液產生不同的離心力,從而使油與水分開。由于離心設備可以達到非常高的轉速,產生高達幾百倍重力加速度的離心力,因此離心設備可以較為*地將油水分離開,并且只需很短的停留時間和較小的設備體積。由于離心設備有運動部件,日常維護較難,因此只應用于試驗室的分析設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備是水力旋流器,它用于將作為連續相的液體與作為分散相的固粒、液滴或氣泡進行物理分離的設備。分散相與連續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的條件下,分散相的顆粒直徑越大,在重力場中達到平衡狀態時兩相之間反向運行的速度差越大,因此就越容易分離。

利用油水對固體物質親和狀況的不同,常用親水憎油的固體物質制成各種蒸發裝置。用于油水分離的固體物質應具有良好的潤濕性。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器,用陶粒作填料,當油水混合物流經陶粒層時,被迫不斷改變流速和方向,增加了水滴的碰撞聚結幾率,使小液滴快速聚結沉降。

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,所以用顆粒密度代替油密度可使上升速度明顯提高。即當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。