三相分離器采用了重力沉降分離的原理，是一種能把油、氣、水分別分離并加以計量的大型設備。該設備有兩個捕霧器，一級捕霧器負責把油氣水混合物之中的絕大部分氣體分離出來，緊接著氣體會由導管被輸送進二級捕霧器，然后和三相分離器內分離出的氣體匯合并一起由放空管線排出。剩下的就是油水分離的過程：油水混合物會到達三相分離器的內部，在預分離室開始進行初步分離，在沉降室油水層形成。為了保持一個穩定可控的油水界面，需要不斷根據情況調控導水管的高度。最后，油水分離成功，原油經隔板進入油室，污水則由導管引流入水室。
含水原油在加熱爐加熱之后被送入三相分離器內進行分離，首先是混合氣液的分離，氣體進入氣系統，液體則被整流到沉降室。油水混合物在經過沉降、破乳等步驟處理后分別進入油室和水室，最后從油室和水室的出口分別進入站內的油處理系統和水處理系統。而在此過程中混合物中的雜質，例如沉積的泥沙、不可利用的污油廢油，都會被各個分離室底部的排污管線隔離到污油池。
油氣水混合物進入預分離室，靠旋流分離及重力作用脫出大量的原油伴生氣，脫氣后的油水混合物經導流管進入水洗室，在含有破乳劑的活性水層內洗滌破乳，再經聚結整流后，流入沉降分離室進一步沉降分離，脫氣原油翻過隔板進入油室，脫出水靠壓力平衡經導管進入水室，再經各自出口管匯導出，從而達到油氣水三相分離的目的。
三相分離器由分離筒體、捕霧器、布液板、反射板、聚結填料、分程隔板、導水管、液位計、安全閥、液位控制閥等附件構成，具有工藝簡單，投資少，便于管理和維護，指標穩定可靠的特點，有利于實現原油處理工藝密閉。
三相分離器運行現狀
（1）油井來液含沙過多導致調節機構靈敏度下降，液體流量計變卡遲鈍或過濾器被堵塞，無法正常應用。
（2）來液溫度低造成的管線結蠟現象，冬季最低來油溫度是控制在37 ℃，結蠟會使管道內徑變小，分離效果就不樂觀。
（3）分離器壓力不穩定，變數大。壓力波動大時，分離器內液面波動失衡，也會導致分離效果變差。
（4）措施井、作業井過多直接導致了破乳劑破乳效果的大幅下降。
