什麼是多效蒸發 (Multi-Effect Evaporation, MEE)
- 多效蒸發 (MEE) 是一種透過多級蒸發 (multiple effects) 來達成高效率濃縮/蒸發的技術。基本概念是：第一柱 (effect) 用蒸汽加熱溶液使水 (或溶劑) 蒸發；產生的蒸汽再被用來加熱下一柱 (lower pressure/temperature)，以此類推，重複利用潛熱，達到節能、提高蒸發效率的目的。
- 多效蒸發器可以搭配不同內部傳熱/流態設計 (例如降膜、升膜、強制循環 (forced circulation)、刮膜 / 薄膜 (thin film) 等) 來處理各種原料。
- 因此，多效蒸發是一個「系統性 / 模組化」方案，適合大規模連續生產，尤其在食品、化工、製藥、廢水處理等產業中非常常見。
薄膜蒸發 (Film Evaporation)：降膜 (Falling Film) vs 升膜 (Rising Film)
在多效蒸發系統中，最常用的薄膜蒸發器形式是降膜 (Falling Film Evaporator, FFE) 和升膜 (Rising Film Evaporator, RFE)。
降膜蒸發器 (Falling Film Evaporator)
- 原料液從頂部加入 (top-feed)，沿著加熱管道內壁向下形成薄膜 (film)，利用重力 (gravity) + 蒸氣拖曳 (vapor drag) 讓液體下流，同時使溶劑 (通常是水) 蒸發。
- 因為液膜薄、接觸面大、傳熱效率高，加上液體與加熱面接觸時間短 (short residence time)、能在較小溫差 (ΔT) 下操作，使其非常適合對「熱敏感 (heat-sensitive) 」物料進行濃縮。
- 適合大規模、連續、低溫或低熱應力的工業生產流程。
升膜蒸發器 (Rising Film Evaporator)
- 原料液從底部送入加熱管 (bottom-feed)，隨著加熱蒸發生成蒸氣，這些蒸氣將液體「向上推 (vapor lift)」，使液體在管壁上攀升並形成薄膜 (rising film)，同時蒸發。維基百科+2fabexeng.com+2
- 優點包括液體停留時間短、高換熱係數 (high heat transfer coefficient)、且由於自然循環 (thermosiphon) 原理，有些設計可以免除循環泵 (pump)，降低設備複雜度與成本。technoforce.net+2維基百科+2
- 然而其限制在於：對於高黏度、易結晶、易產生結垢 (scaling)、或高濃度 / 高固含物溶液，表現不如降膜式；且為了驅動上升液膜，需要較大的溫差 (ΔT)，降低熱效率。yrhgsb.com+2nickelinstitute.org+2
混合 “升膜／降膜 (Rising/Falling Film)” 設計
- 有些蒸發器設計會先透過升膜 (rising film) 部分處理，再讓液體進入降膜 (falling film) 通道。這種設計嘗試結合兩者優勢：利用 vapor-lift 的優點 (自然循環、低機械複雜性) + 降膜的高效率與熱敏感適應性。
- 此類混合設計在某些工藝中特別有用 — 例如需要初步蒸發 (預濃縮) 然後再做最終濃縮處理的流程。
降膜 / 升膜 + 多效蒸發的產業應用
根據多家設備供應商與技術介紹，多效降膜 / 升膜蒸發器在以下產業有廣泛應用：myande.en.made-in-c
食品與飲料產業
- 果汁 / 濃縮果汁：例如果汁 (果蔬汁)、番茄汁等需要濃縮的產品。降膜多效蒸發器可以在較低溫度 (例如低於 70 °C) 下濃縮，以避免色澤、香氣、風味、營養成分被破壞。raygmindia.com+2easireal.com+2
- 乳製品：牛奶、乳清 (whey)、奶製品濃縮 (例如煉乳、乳粉預濃縮)；降膜 + MEE 因低熱應力、短停留時間，有助於保留蛋白質功能性與風味。acmefil.com+2carotagroup.com+2
- 甜味劑 / 糖漿 / 澱粉糖 (corn syrup / maltose / glucose 等)：例如澱粉糖、糖漿、糖汁濃縮。deeprocess.com+2wetecdryer.com+2
- 植物提取物 / 香料 /飲料濃縮：像是咖啡、茶萃取液、植物萃取物、草本飲料濃縮。carotagroup.com+2easireal.com+2
化學 / 精細化學 /製藥
- 化學溶液濃縮、溶劑回收 / 濃縮：化工廠中的各類化學溶液、溶劑、水溶液的濃縮或溶劑回收。shachiengineering.com+2青島康青環保科技集團有限公司+2
- 製藥中間體 / 藥液濃縮：對於熱敏感 (heat-sensitive) 的藥液、生物製劑 (例如植物萃取、中草藥提取液)／中間體，降膜 + MEE 提供溫和、高效率、可控的濃縮方式。easireal.com+2shachiengineering.com+2
- 有機化合物 / 高黏度化學品：對於某些高黏度、高固含、容易結晶或結垢的化學品，利用降膜可以較穩定處理。青島康青環保科技集團有限公司+2wetecdryer.com+2
廢水處理 / 環保 / 水回收
- 工業廢水濃縮 / 減量：許多工業 (化工、製藥、食品加工、研磨 / 切削 / 表面處理…) 都會產生大量含水廢液。多效降膜蒸發器可用於將廢水蒸發濃縮，回收水或減少待處理量。deeprocess.com+2青島康青環保科技集團有限公司+2
- 鹽水預處理 / 海水淡化 (desalination 或預濃縮)：在某些流程 (例如海水淡化、鹽水預濃縮) 中，升膜或降膜蒸發器可用於初步濃縮，再結合其他處理技術進行後續處理。青島康青環保科技集團有限公司+2shachiengineering.com+2
生物技術 / 食品添加物 /特殊原料
- 植物萃取液 (草本提取)、維生素 (例如維生素 C)、有機酸、氨基酸等發酵 / 提取後液體的濃縮。雖然有些應用會採用膜過濾 (membrane filtration / MD /分離膜) 技術，但多效蒸發 + 薄膜蒸發器仍是濃縮、除水、預濃縮的重要方式。Raye+2deeprocess.com+2
綜合工業流程整合 (Crystallization / Drying / 結合其他單元)
- 多效蒸發可以和結晶 (crystallization)、乾燥 (drying)、蒸餾 (distillation) 等單元整合，形成完整的生產線。這對於化工、藥品、食品原料製備等流程特別有用。shachiengineering.com+1
為什麼選用降膜 / 升膜 + MEE：技術優勢與挑戰
優勢
- 節能 / 高效率：多效蒸發系統可重複利用熱能 (蒸汽潛熱)，顯著降低單位蒸發量的蒸汽消耗。
- 低熱應力／保護熱敏感物料：降膜蒸發器因液膜薄、接觸面大、短停留時間、低溫差 (ΔT) 操作，使其成為熱敏感物料 (果汁、奶、植物萃取、藥液) 的理想選擇，可最大限度減少營養、色澤、香氣、活性成分損失。
- 高傳熱效率與高產能：薄膜使熱傳遞效率 (heat transfer coefficient) 高，適合大規模連續生產。e
- 彈性與可自訂 (Scalability / Customization)：可依據產能需求及濃縮倍率選擇單效、雙效、三效或更多 effect；並且可搭配 MVR (Mechanical Vapor Recompression)、TVR、真空操作等方式進一步優化能耗與產能。
- 對多種產業通用：從食品、飲料、乳製品、糖漿、化工溶液、製藥液、生物提取液、廢水處理到鹽水、溶劑回收、環保、水資源回用等皆可適用 — 彈性大。
挑戰 / 限制
- 對於高黏度、易結晶、易結垢 (scaling) 溶液的限制：尤其是升膜 (RFE) 結構，由於液體必須被蒸氣 lift 起來，對黏度、固含物、有結晶傾向/結垢傾向的溶液並不理想。
- 對液膜分布 (distribution) 的要求高 (降膜)：降膜時必須有良好的分液器 (distributor / downcomer / spray nozzle) 保證液膜均勻覆蓋加熱管內壁，否則可能出現 dry-spots (乾膜) 導致效率下降或品質不穩定。
- 設計成本與設備複雜性：要設計多效組合 (effects)、選擇合適材質 (通常 SUS304 / SUS316L 不鏽鋼)、考慮清洗 (CIP)、真空 / MVR / TVR 等系統整合，對工程/設備設計要求較高。
- 需要根據物料特性、產能、熱源供應 (蒸汽 /熱媒)、操作條件等進行仔細設計與控制。
選擇降膜 vs 升膜 vs 混合設計：何時用哪一種
| 適用場景 / 需求 | 推薦選擇 | 理由 |
|---|---|---|
| 熱敏感、易破壞品質 (果汁、乳製品、植物萃取)；需要高品質濃縮 | 降膜 (Falling Film) | 液膜薄、接觸時間短、低 ΔT、熱應力小，可保護風味/營養。 |
| 原料相對稀、易產生泡沫 (foam)、不需高黏度 | 升膜 (Rising Film) | 自然循環 (thermosiphon)，設備簡單，可免除循環泵，成本較低。 |
| 需要初步預濃縮 + 最終濃縮 (例如化工溶液 → 高濃縮、結晶前處理)／兼顧效率與熱敏感 | 混合 Rising-Falling Film 設計 | 利用升膜做預處理 (低成本、簡單)，再降膜做高效率濃縮。 |
| 高黏度、高固含、易結晶／易結垢溶液 | 降膜 (Falling Film)（必要時搭配強制循環或薄膜刮除） | 降膜對高黏度液體適應性較好，可設計為多效 + 加壓 / 薄膜系統來處理。 |
| 大規模連續生產、節能、連續濃縮／廢水回用／溶劑回收 | 多效降膜 (MEE + FFE) | 重複利用熱能、節省蒸汽、適合大產能、操作穩定。 |
簡單建議：對於食品、飲料、乳製品、熱敏感化學 / 製藥產品 → 優先考慮降膜 + MEE。若是一般化工、低黏度溶液、預濃縮階段 → 升膜或混合設計可能更經濟。
實際案例與設備 (商業設備)
根據設備供應商與案例資料：
- 有 pilot / 工業級多效降膜蒸發器用於濃縮果菜汁、果汁、乳製品、植物萃取液 (中藥、西藥)、蛋白質 (動物或植物)、澱粉糖 (glucose / maltose / maltodextrin)、色素 (pigment)、添加劑 (additives)、味精 (monosodium glutamate) 等。easireal.com+2deeprocess.com+2
- 某些真空 MVR (Mechanical Vapor Recompression) + Falling Film 蒸發器被用於牛奶濃縮 (例如將固含量從約 12% 提高到 45%)，其節能效果顯著 (蒸汽消耗可降低 ~70%)。青島康青環保科技集團有限公司
- 在廢水 / 有機廢液處理 / 濃縮 (chemical wastewater, high-concentration organic wastewater) 上，也有多效降膜蒸發 + MVR / TVR 設備被採用，以達到廢液減量、資源回收、環保排放 (甚至零液體排放, ZLD) 的目標。多效蒸發器(MEE)
為什麼多效降膜 / 升膜蒸發在未來會持續重要
- 根據市場報告，全球「管式降膜蒸發器 (tube falling film evaporator)」市場預測在未來幾年將以穩定年複合成長率 (CAGR 約 5.5%) 成長。這代表了各產業對高效率、節能、低熱應力濃縮技術的持續需求。
- 隨著環保、水資源回收、中水回用、廢水減量 (wastewater minimization)、零液排放 (ZLD) 的要求提升，多效蒸發 + 薄膜蒸發器 (尤其降膜 + MVR/TVR) 將成為工業廢水處理 / 養水資源回收的重要技術之一。
- 對於食品安全、營養保存、天然 / 有機 /植物提取物 (中草藥、植物萃取)、功能性飲料、保健品等越來越重視品質與營養保留的行業來說，降膜 + 多效蒸發提供了高品質濃縮 / 提純的可能性。
選型與設計建議 (對於工程師 / 設備採購／工廠導入者)
- 先明確物料特性：包括黏度 (viscosity)、固形物含量 / 濃度 (initial / target), 是否易結晶 / 結垢 (scaling), 是否熱敏感 (heat-sensitive), 是否有泡沫 (foaming) 等。根據物料特性選擇降膜、升膜或混合設計。
- 考量產能 / 蒸發量 /濃縮倍率：依需求決定單效 (single-effect)、雙效 (double-effect)、三效 (triple-effect) 或更多 effect；若產能大、濃縮倍率高，可考慮多效 + MVR / TVR。
- 材質與衛生 / 杜汙 / CIP 設計：對於食品、乳製品、製藥、植物萃取等應用，要選用不鏽鋼 (如 SUS304 / SUS316L) 表面光滑設計，並考慮 CIP / 清洗流程，以符合衛生與品質要求。
- 能源 / 蒸汽供應 / 熱整合 (Heat Integration)：設計熱回收 (vapour recompression, heat recovery) 或其他能源整合 (如 MVR / TVR / 低壓蒸汽回用) 以提升能源利用效率。
- 維護 / 結垢 / Fouling 管理：特別對於容易結垢 / 高固含 /高黏度溶液，需設計良好的分液器 (liquid distributor)、分配系統、可能結合強制循環或薄膜刮除設備，以避免 dry-spot / fouling。
結語
綜合來看，多效蒸發 + 薄膜蒸發器 (特別是降膜 / Falling Film Evaporator) 是目前及未來，在「食品 / 飲料 / 乳製品」「化工 / 精細化工 / 製藥」「廢水處理 /資源回收」「植物 /天然 /功能性萃取」等多個產業領域中，非常關鍵且通用的一種濃縮 / 蒸發設備技術。它兼具高效率、節能、低熱應力、靈活適應多種物料特性與規模的優點。對於有規模化生產、品質要求高、節能減排 / 環保需求的廠商與工廠，是一個值得深入考量並導入的技術方案。
當然，在實際導入時，必須根據具體物料、產能、熱源條件、清洗／維護需求來設計與選型。對於高固含、高黏度或容易結晶、結垢的溶液，可能需要特殊設計 (例如薄膜刮除、強制循環、結合其他單元)；對於高品質要求 (食品、飲料、萃取)、熱敏感物料，則應優先考量降膜 + 多效 + 低溫度差 (ΔT) 設計。
參考來源
- “Multiple-Effect Evaporators in Food Processing | Raygm Engineered” — 降膜／升膜 & 多效蒸發在食品 (果汁、濃縮) 的應用。raygmindia.com
- “Pilot Multi-effect Falling film Evaporation” — 多效降膜蒸發器應用於果蔬汁、乳製品、蛋白質、澱粉糖、化工、醫藥、添加劑等。easireal.com
- “Industrial Multi Effect Falling Film Evaporator | EasyReal” — 多效降膜蒸發器設計、特性、適用場合 (食品、乳製品、化工、製藥) 。easireal.com
- “Why Choose a Multiple Effect Falling Film Evaporator for Industrial Applications? – Rince Community” — 降膜式蒸發器對熱敏感物料與高效率連續生產的優勢。rincecommunity.com
- “Multi effect falling film evaporator Manufacturer & Supplier in China – Weitai” — 降膜多效蒸發應用於糖漿、澱粉糖、果汁、乳製品、食品添加劑等。wetecdryer.com
- “What are the applications of a multi-effect falling film evaporator? – CarotaGroup” — 化工 (溶液濃縮、聚合物 / 樹脂 /藥液), 食品, 製藥等應用。carotagroup.com
- “Multiple Effects Falling Film Evaporator, Beverage Chemical Wastewater Evaporation Machine” — 多效降膜蒸發器用於飲料、化工、廢水、有機廢液濃縮。myande.en.made-in-china.com
- “Difference between Rising and Falling Film Evaporators – Hebei Yunrui Chemical Equipment Co., Ltd.” — 降膜 vs 升膜 的差異與各自適用範圍。yrhgsb.com
- “Rising film evaporator – EVATHERM” & “Rising Film Evaporator (RFE) – Tubular Evaporators” — 升膜蒸發器原理、特性與應用 (稀溶液、低泡沫、較低黏度) 。evatherm.com+1
- “Classification Of Thin Film Evaporators And How To Choose?” — 升膜 vs 降膜基本比較。laboao.com
- 市場報告 “Tube Falling-Film Evaporator Market Forecasts to 2030” — 全球管式降膜蒸發器市場預測與成長趨勢。GII
- 迦拓科技-多效蒸發器MEE。MEE