水氣分離器的工作原理是在一定壓力下，利用液體和固體顆粒的密度不同、液-固三相界面的性質以及液體的表面張力等特性，使氣體從液體相中分離出來。

具體來說，含塵煙氣的氣流經過水霧發生裝置時與水霧充分混合，煙氣流速降低到某一值后進入沉降室進行重力沉降，經重力沉降后的粉塵沉積于底部由排污閥排出，凈化后的潔凈空氣由引風機排入大氣。

以水氣分離罐為例，它主要由進料口、分離室、水口和氣口等組成。原油通過進料口進入分離室，由于水比重較大，會沉淀到底部形成水層，氣體則上浮到頂部形成氣層，從而實現水和氣體的有效分離。

為提高分離效果，內部通常還設置有除水裝置和除油裝置，除水裝置用于排出水層中的水分保持分離室內的水平，除油裝置用于去除氣層中的油霧提高氣體純度。

氣體與水進入分離器時，因密度差異會產生分層現象，輕質的氣體會上升，重質的水則下沉。

分離器內設置了特殊的構造，如屏蔽板和螺旋流道，通過這些構造物，氣體和水在內部進行多次碰撞和摩擦，從而加速分離過程。有的分離器還可以利用化學方法，如添加特殊的分離劑或催化劑，來促進氣體和水的分離。