还原反应工艺是目前海绵钛生产过程中最为关键的一部分，而还原反应炉则是该过程中主要的设备。针对其生产过程的高温度、高真空、高纯度的要求，本文设计研究了一种12吨新型双层海绵钛还原反应器，由内碳钢、外不锈钢的双层结构代替传统的单层不锈钢，该结构不仅提高了国内海绵钛生产的效率，也保障安全生产的正常进行。这种新型结构不仅提高了单炉产能，还显著改善了传统单层钢的脱皮及更换频率高等不足，降低了产品杂质，同时提高了生产效率及产品质量。通过工况分析，该生产过程具有高温度、高真空等极端苛刻的条件，故本文应用ANSYS的有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）对还原反应器进行建模及热应力耦合分析，确保生产安全。此外，针对该系统大滞后的温度控制以及不能过度超调等要求，对传统PID控制算法进行改进，以确保快速、精确、稳定的进入稳态生产过程。