油水聚结分离器主要是为液-液分离设计的，它含两种滤芯，即：聚滤芯和分离滤芯。比如在油品除水系统中，油品流入聚结分离器后，首先流经聚结滤芯，聚结滤芯滤除固体杂质，并将极小的水滴聚结成较大的水珠。绝大部分聚结后的水珠可以靠自重从油中分离除去，沉降到集水槽中。然后油品又流过分离滤芯，由于分离滤芯具有良好的亲油憎水性，从而进一步分离水分，最终，洁净，无水的油品流出聚结分离器。
油品先由进口管进入油水聚结分离器壳体的下部，然后从外向内流过滤芯，这时较粗的颗粒便会立即沉淀下来，由排污阀放出，较小的颗粒被滤芯拦截。最后洁净的油品经滤芯托盘汇集后，由出口管流出聚结分离器，随着被处理油量的增加，沉积在滤芯上的污染物会引起聚结器压差的上升。当压差上升到0.15Mpa时，说明聚结滤芯已被堵塞，应予更换。
油液从聚结分离器进油口流入一级托盘，然后分流于一级滤芯内部，经过过滤、破乳、水分子长大、聚结的过程，杂质截留在一级滤芯内，聚结的水珠沉降于沉淀槽中，油品从外向内进入二级滤芯，汇集于二级托盘内，从聚结分离器出口流出。二级滤芯的材料具有憎水性，油品能够顺利通过，游离水则被挡于滤芯之外，流入沉淀槽中，通过放污阀排出。