雙級真空濾油機的核心功能依托兩級負壓腔體完成氣液分離作業，借助升溫降粘、霧化噴淋、負壓抽排等一系列物理方式，讓溶解、裹挾在油液中的水汽與氣體從介質內部脫離，整套過程依靠前后兩組真空腔體分步處理，逐步改變油液的理化狀態，適配乳化油、受潮絕緣油等多種介質的凈化作業。
油液進入真空系統前會先經過加熱環節，這一步可以為氣液分離打下基礎。常溫狀態下的工業用油粘稠度偏高，水分與氣體容易穩定融合在油液內部，很難自主析出。溫控裝置將介質調節至合適溫度后，油液分子活躍度提升，粘稠度出現回落，原本包裹水汽與微小氣泡的油膜結構被弱化，各類氣態物質具備從油液中向外擴散的條件。升溫后的油液會送入前置真空腔體內部，腔體內部裝配多層霧化噴淋組件，高壓輸送的油液通過細小噴嘴被打散為細密油霧，油液的接觸面積得到大范圍擴充，原本藏在介質內部的游離水汽、懸浮氣泡可以充分暴露在負壓空間內。

真空泵組持續對前置腔體抽取空氣，腔體內部形成穩定的低壓環境，氣壓數值遠低于常規大氣壓。在這樣的環境下，水的飽和蒸發溫度出現下降，不需要達到常規沸點，游離狀態的水分就可以轉化為水蒸氣，各類懸浮氣體也會快速從油霧中脫離。水蒸氣伴隨各類氣體被真空泵持續向外抽取，部分水蒸氣經過冷凝結構凝結成液態水，匯集在腔體下方的儲水區域，剩余氣體直接排出設備外部。經過這一階段處理，油液中大部分游離水汽與懸浮氣體可以完成脫離，凝聚后的油液依靠重力流向腔體底部，輸送至后置真空腔體開展深度處理。
進入后置真空腔體的油液會再次經過噴淋霧化處理，該腔體維持的負壓水平會進一步下調，針對經過初步處理的油液做深度氣液剝離。經過前置環節處理后的油液雖然去除了大部分游離形態的水汽氣體，依舊有少量物質以溶解狀態留存于介質當中，常規壓力環境下很難向外擴散。更低的負壓條件可以打破這類物質的溶解平衡，細微的水蒸氣、惰性氣體不斷從油液內部析出，再次被真空機組抽離排出。兩次霧化搭配兩級負壓環境，能夠應對濕度偏高環境下進水乳化的油品，弱化外界溫濕度波動對分離過程帶來的干擾，讓氣液分離過程始終保持平穩狀態。

兩級腔體之間設置穩壓導流結構，避免前后腔體的氣壓出現相互干擾，保障兩處負壓環境可以獨立穩定運行。前置腔體側重處理大占比的游離水汽與氣泡，承擔主要的氣液分離負荷，后置腔體針對微量溶解類物質做精細化處理，兩類腔體分工配合，減少單次分離環節負荷過高帶來的運行波動。從后置腔體流出的油液基本完成氣液分離流程，原本乳化發白的介質慢慢恢復通透狀態，含水量、含氣量逐步回落至合理范圍。
部分機型會在真空排氣回路配置冷凝裝置，從油液中析出的水蒸氣經過低溫管路凝結收集，既可以減少水汽直接進入真空泵內部造成潤滑油乳化，也能通過收集的水量直觀判斷油品受潮程度，方便工作人員把控循環處理的作業時長。整套氣液分離流程依靠升溫霧化、兩級負壓抽排、分步負荷處理的方式實現，通過物理方式讓油、水、氣體三類物質相互分離，調整油品的使用狀態，為電力、冶金等行業各類機組的穩定運行提供介質保障。