將幾個蒸發器串聯運行的蒸發操作，使蒸汽熱能得到多次利用，從而提高熱能的利用率，多用於水溶液的處理。在三效蒸發操作的流程（見圖）中，第一個蒸發器（稱為第一效）以生蒸汽作為加熱蒸汽，其餘兩個(稱為第二效、第三效)均以其前一效的二次蒸汽作為加熱蒸汽，從而可大幅度減少生蒸汽的用量。每一效的二次蒸汽溫度總是低於其加熱蒸汽，故多效蒸發時各效的操作壓力及溶液沸騰溫度沿蒸汽流動方向依次降低。依據二次蒸汽和溶液的流向，多效蒸發的流程可分為：①並流流程。溶液和二次蒸汽同向依次次通過各效。由於前效壓力高於後效，料液可借壓差流動。但末效溶液濃度高而溫度低，溶液粘度大，因此傳熱系數低。②逆流流程。溶液與二次蒸汽流動方向相反。需用泵將溶液送至壓力較高的前一效，各效溶液的濃度和溫度對粘度的影響大致抵消，各效傳熱條件基本相同。③錯流流程。二次蒸汽依次通過各效，但料液則每效單獨進出，這種流程適用於有晶體析出的料液。
在生蒸汽溫度與末效冷凝器溫度相同（即總溫度差相同）條件下，將單效蒸發改為多效蒸發時，蒸發器效數增加，生蒸汽用量減少，但總蒸發量不僅不增加，反而因溫度差損失增加而有所下降。多效蒸發節省能耗，但降低設備的生產強度，因而增加設備投資。在實際生產中，應綜合考慮能耗和設備投資，選定最佳的效數。燒堿等電解質溶液的蒸發，因其溫度差損失大，通常隻采用2～3效（見彩圖）；食糖等非電解質溶液，溫度差損失小，可用到4～6效；海水淡化所蒸發的水量大，在采取瞭各種減少溫度差損失的措施後，可采用20～30效。
雙效蒸發器
淀粉物料用的四組三效蒸發器